31.4 Классификация датчиков теплового потока. Физические модели «тепловых» датчиков теплового…

Д атчики теплового потока могут исп. самые разнообразные физические эффекты для преобр. ТП в эл. сигнал. Преобр-ли ТП, можно разделить на две группы: ДТП с исп. фотоэл. эффекта (и примыкающего к нему по области использования пироэлектр. эффекта); «Тепловые» ДТП, исп. преобразование измеряемого ТП в изменение тем-ры ТВЭ. Пе рвая группа ДТП широко распр. и исп., в основном, для измерения (обнаружения) ТП сверхмалых интенсивностей (приборы ночного видения, фотоэл. усилители). Ее особенностью является прямое преобразование оптич. получения в эл.сигнал. При этом эл. сигнал пропорционален, вообще говоря, не величине ТП, а плотности потока квантов излучения в опред. спектральной области. Поэтому преобразование (пересчет) вых. сигнала в действующий лучистый поток требует летального знания спектра излучения. Использование пироэлектриков крайне затруднено по своей конструктивной реализации. «Тепловой» принцип предусматривает промежуточное преобразование ТП в тем-ру. ТП воспринимается ТВЭ, нагревает его и уже тем-рные изменения преобр. в эл. сигнал. Связь измеряемого ТП с тем-рой ТВЭ зависит от типа исп. ДТП и задается решением обратной задачи теплопроводности (ОЗТ).Тем-ра ТВЭ зависит не только от поступающего в него теплового потока, но и от теплообмена ТВЭ с элементами конструкции датчика и окруж. средой. Решение ОЗТ для сложных физ. моделей связано с целым рядом до конца не решенных в настоящее время проблем матем. характера. Поэтому на практике исп-ся простейшие конструктивные формы датчиков, позвол. найти решение ОЗТ и установить связь тем-ры ТВЭ и контролируемого ТП. В качестве измерителей тем-р в ДТП исп-ся термоэлектр. и терморезистивные преобр-ли.

Физические модели «тепловых» ДТП. ДТП, исп. измерение тем-ры для определения проходящего через них ТП, по конструктивному решению и описывающим их работу физ. моделям разбиты на 2 группы: ДТП, физич.модель которых опис.одномерным уравнением теплопроводности; ДТП, физ. модель которых опис. двумерным уравнением теплопр.

В зависимости от толщины ТВЭ времени измерения TП теплофиз. хар-к материалов ТВЭ и подложки, количества и места установки термопреобразователей,и,граничных условий одномерные ДТП подразделяются на: -тонкопленочные; -калориметрические; -градиентные. Для реализации одномерности необх., чтобы ТП в поперечном направлении был пренебрежимо мал по сравнению с потоком в продольном направл. Это требует теплоизоляции измерит. модуля и минимизации разности тем-р на границе измерительный модуль — окруж. среда (в боковом направлении). Д второй группы называют ДТП с поперечным градиентом тем-ры. Тонкопленочные Д., у которых тепловоспринимающим элементом и термопреобраз. одновременно явл. тонкие пленки, нанес. на низкотем-рную подложку. Подложка за время воздействия измеряемого ТП является для распространяемого в ней тепла полуограниченным телом, а влиянием пленки на тем-рное распределение в подложке можно пренебречь.

“+” тонкопленочных ДТП является возможность обесп. очень малой инерционности (до 10^-5…10^-7 с). Она опред. миним. временем, после кот. тепловой поток в подложку станет равным падающему на поверхность ТВЭ, т.е. временем t_min, за которое ТВЭ станет «прозрачным» (3.1)

где r₁,c₁,h — соотв/ плотность, теплоемкость, толщина ТВЭ; l₂,r₂,c₂— теплопроводность, плотность и теплоемкость подложки. В качестве преобраз. тем-ры в тонкопленочных Д исп., как правило, терморезистивные и термоэлектрические преобр-ли на основе тонких пленок благородных (платина, золото, серебро) металлов. Это позволяет обеспечить высокую точность измерения T(). Подложки в тонкопл. ДТП обычно изгот. из низкотем-рных диэл. материалов, чтобы увеличить тем-рную чувствительность и обесп. изоляцию термопреобразователей. Примен: при измерениях конвективных тепловых потоков при газодинамических испытаниях ракетно-космич. техники.

Калориметрические датчики были длит. время наиболее распростр. средствами измерений тепловых потоков в промышленности и ракетно-космической технике. “+”:простота, надежность, возможность прим. без градуирования. Принцип д. основан на регистрации измен. тем-ры адиабатически изолированного блока калориметра. КД являются датчики, в которых тепловой поток поглощается ТВЭ и не передается в подложку. В этом отношении КД являются противоположностью тонкопленочным. Главной проблемой разработки и эксплуат. КД следует считать обесп. адиабатичности изоляции калориметра, либо учет утечек теплоты от калориметра в изоляцию и корпус датчика в течение всего времени измерения теплового потока. Наиболее часто борьба с утечками от калориметра ведется путем выбора изоляц. материалов, имеющих миним. температуроропроводность, таких как: пенопласт, стеклопластик, цементы, керамика и т. п. При этом принимают меры по ум. площади соприкосновения калориметра с изоляцией. Так в датчиках конвективного теплового потока ИС 670, ИС 671 крепление калориметра выполнено с помощью профилированных втулок. Для этих же целей в датчиках ФЛБ 002 и ФОБ 007 одновременно с изоляцией калориметра исп. охранные кольца, выполненные т.о., что отношение эффективной площади к полной теплоемкости у калориметра и кольца одинаковы. Тогда при возд. теплового потока скорости нагрева калориметра и кольца оказываются близки и теплообмен между ними ум-ся. Все эти меры оказываются недостаточно эфф. при возр. времени измерения до 100...150 с и тем-ры калориметра до 200.. .300 °С. Утечки тепла от калориметра в этом случае могут достигать 20... 30 %. Широко используются КД при газодинамических испытаниях моделей ракетно-космической техники, где требуется измерение кратковр. конвективных тепловых потоков большой плотности (датчики ФКБ 018,). Вторая проблема этих измерений — обеспечение малой инерционности, успешно решается благодаря использованию в качестве материала калориметра кремния. В этом случае калориметр является одновременно и тепловоспринимающим элементом, и термопреобр., обеспечивая непрерывный контроль тем-ры калориметра.

Датчики с поперечным градиентом температуры основаны на измерении разности темп., возник. при возд. теплового потока между центром и периферией тонкого константанового диска (ТВЭ), закрепл. на медном теплоотводе с достаточно большой теплоемкостью. Разность температур измеряется дифференц. ермопарой, образ. центральным медным электродом, ТВЭ и теплоотводом. Чувствительность датчика прямо проп. квадрату радиуса ТВЭ и обратно проп. его толщине.

Существенное увеличение чувствительности датчика с поперечным градиентом может быть достигнуто при исп. для измерения перепада температур пленочных батарей дифференц. термопар. Для изгот. ТВЭ используют гетероэпитаксиальные структуры КНС, технология которых хорошо отработана. В датчиках ФОА 020, ФОА 023, исп. структуры КНС толщиной 200 мкм при толщине пленки кремния примерно 3 мкм. В качестве материала второго электрода термопары используется пленка алюминия толщиной 1 мкм. Термобатарея сформирована методом планарной технологии. Датчики имеют достаточно высокую чувствительность (0,3…5 мВ/кВт/м²), при этом инерционность датчиков не превышает 0,3…1 с.