5.3. Основные задачи измерений тепловых потоков

Датчики теплового потока (ДТП)  специализированные приборы, непосредственно измеряющие плотность теплового потока (ТП). Их использование, как правило, дает более полную и точную информацию об исследуемом процессе передачи и распространения тепловой энергии, чем использование для этой цели нескольких датчиков температуры. Кроме того, в последнем случае обработка и преобразование информации о локальных температурах в плотность теплового потока зачастую крайне сложны, сопровождаются большими методическими погрешностями, потерей значительной части информации о динамике процесса и т.д.

Различают лучистую и конвективную составляющие ТП. В первом случае плотность падающего ТП (плотность потока лучистой энергии) q_naд и проходящая через ДТП плотность теплового потока q связаны соотношением

(5.46)

где А, ε соответственно коэффициенты поглощения и черноты тепловоспринимающей поверхности ДТП соответственно;Т  температура тепловоспринимающей поверхности ДТП.

Первый член дает плотность поглощаемого ТП, второй плотность излучаемого ТП за счет разогрева тепловоспринимающей поверхности. Вообще говоря, величиныА и ε зависят от длины волны излучения и могут значительно отличаться друг от друга. Для большинства практических применений можно пренебречь вторым членом из-за его малости по сравнению с первым, а величинуА считать постоянной, не зависящей от длины волны, (что достигается использованием специально разрабатываемых для этой цели покрытий). В этом приближении можно записать

(5.47)

Плотность падающего лучистого теплового потока находится из соотношения:

(5.48)

Случай чисто конвективного ТП реализуется тогда, когда ТП обусловлен разностью температур испытываемого объекта и обтекающей его внешней среды, а лучистая компонента теплового потока отсутствует. При этом плотность ТП пропорциональна разности температур внешней среды и испытываемого объекта и зависит от их физических свойств (теплопроводности, теплоемкости, плотности) и скорости обтекающего потока.

Для того чтобы плотность ТП, проходящего через датчик и поверхность испытываемого объекта, были равны, а возмущение, вызванное размещением в измеряемой точке датчика, отсутствовало, при конвективном теплообмене необходимо, чтобы теплофизические характеристики датчика были максимально близки к характеристикам материала испытываемого объекта.

К сожалению, в наиболее важных и сложных случаях реализация этих требований невозможна, и теплофизические свойства датчика отличаются от свойств испытываемого объекта. При этом ТП, измеряемый датчиком, отличается от ТП, проходящего через испытываемый объект, зачастую весьма существенно

Практика показывает, однако, что и в этом случае использование датчиков теплового потока оправдано и дает возможность получения достаточно полной информации об исследуемом процессе. При этом информация от датчиков теплового потока подвергается дополнительной обработке и анализу, при которых используются знание тепловых моделей ДТП и испытываемого объекта, информация от других типов датчиков (прежде всего температуры).

Зачастую ТП, действующий на испытываемый объект, включает в себя как лучистую, так и конвективную составляющие. При этом датчики будут измерять суммарный проходящий через них ТП. Для измерения одной из компонент ТП предпринимают специальные меры. Так, для измерения конвективной составляющей ТП (и исключения влияния лучистого ТП) на поверхность тепловоспринимающего элемента ДТП наносятся зеркальные покрытия с коэффициентом поглощения А, близким к нулю.

Для измерения чисто лучистой составляющей ТП (и исключения конвективной составляющей) осуществляют защиту тепловоспринимающего элемента ДТП специальными оптическими окнами, защищающими тепловоспринимающий элемент от воздействия конвективной составляющей, но пропускающими лучистую составляющую к датчику.

К основным задачам измерений тепловых потоков на объектах авиационной и ракетно-космической техники следует отнести:

1. Измерение кондуктивных (λ·∆t/∆x) медленноменяющихся ТП малой (менее 1 Вт/м²) величины в диапазонах температур от минус 150°С до плюс 150°С для контроля качества теплоизоляции.

2. Измерение лучистых тепловых потоков в диапазоне 0,1...2 кВт/м² для обеспечения контроля имитаторов излучения Солнца и планет при тепловакуумных испытаниях космической техники, а также в метеорологии.

3. Измерение конвективных быстроменяющихся тепловых потоков в диапазоне 10...10000 кВт/м² при газодинамических испытаниях объектов и модулей авиационной и ракетно-космической техники.

4. Измерение лучистых, конвективных и суммарных (лучисто-конвективных) тепловых потоков в диапазоне 20...5000 кВт/м², поступающих в элементы конструкции от факелов двигательных установок, при аэродинамическом торможении объектов в плотных слоях атмосферы, испытаниях и отработке мощных теплоэнергетических установок.

При измерениях кондуктивных тепловых потоков малой плотности главной задачей следует считать обеспечение максимальной близости термического сопротивления датчика и теплоизоляции в месте установки датчика, а также обеспечение высокой чувствительности датчика. Наиболее подходящими для решения этих задач следует считать батарейные датчики с продольным градиентом [61]. Типичным представителем датчиков этого назначения является датчик ФОД 025.

При создании датчиков для контроля лучистых тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях и для целей метеорологии основное внимание, как правило, уделяется обеспечению долговременной стабильности метрологических характеристик датчиков и их работоспособности в условиях вакуума и циклических изменений температур. Хорошо зарекомендовали себя в этих условиях датчики с поперечным градиентом температуры (ФОА 020 и ФОА 023), выполненные на базе гетероэпитаксиальной структуры «кремний на сапфире» (КНС).

К основным требованиям, предъявляемым к датчикам конвективного теплового потока, при газодинамических испытаниях, несомненно, следует отнести предельно малые инерционность и габариты датчиков. В ряде случаев инерционность датчиков не должна превышать 10^-3...10^-5 с, а время измерения составляет доли секунд. Широкое применение при газодинамических испытаниях авиационной и ракетно-космической техники нашли тонкопленочные датчики, основанные на решении обратной задачи теплопроводности для полуограниченного тела (датчики ФКБ 021, ФОБ 002), часто используются для этих целей и калориметрические датчики (ФКБ 018, ФКБ 022, ФКБ 023).

Измерения тепловых потоков, поступающих в элементы конструкции ракет от факелов двигательных установок, проводятся при летно-конструкторских испытаниях объектов ракетно-космической техники. Эти измерения можно отнести к наиболее массовым измерениям тепловых потоков при отработке ракетно-космической техники. Они характеризуются широким диапазоном измерения (20...2500 кВт/м²), необходимостью раздельного измерения лучистого и суммарного тепловых потоков, жесткими вибрационными и акустическими нагрузками, невозможностью принудительного охлаждения датчиков.