Научная статья на тему 'Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте'

Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
741
131
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЕПЛОВОЙ ПОТОК / HEAT FLUX / ДАТЧИК / SENSOR / ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА / SEEBECK EFFECT / ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ / HEAT TRANSFER INVESTIGATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Митяков Андрей Владимирович

Описано применение градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в физическом и промышленном эксперименте. Созданы и протестированы новые градиентные датчики теплового потока повышенной теплостойкости. Приведены основные композиции для датчиков и их характеристики. Рассмотрены перспективы использования датчиков при температурах до 1300 К.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Митяков Андрей Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

GRADIENT HEAT FLUX MEASUREMENT IN PHYSICAL AND INDUSTRIAL EXPERIMENTS

Application of bismuth-based gradient heat flux sensors in physical and industrial experiments. Novel gradient heat flux sensors of improved thermal endurance are designed and tested. Basic compositions used in the sensors and their characteristics are presented. Perspective employment of the sensors at temperatures of up to 1300 K is considered.

Текст научной работы на тему «Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте»

Анализ матриц (6)—(8) показывает, что наряду с наличием зоны минимальной статической ошибки имеет место оптимальное взаимное размещение датчика температуры и нагревателя по критерию минимального времени выхода на режим.

Полученные результаты имеют практическую ценность при проектировании термостабильных радиотехнических устройств с использованием микротермостатов, содержащих термостабильную подложку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев В. П. Системное проектирование термоустойчивых радиотехнических устройств и систем. Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2004.

2. Самарский А. А. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

3. Дульнев Г. Н., Парфенов В. Г., Сиголов А. В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена М.: Высш. школа, 1990.

4. Пасконов В.М., Полежаев В. И., Чудов Л. А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена М.: Наука, 1984.

5. Берковский Б.М., Ноготов Е. Ф. Разностные методы исследования задач теплообмена Минск: Наука и техника, 1976.

Сведения об авторах

Валерий Павлович Алексеев — канд. техн. наук, доцент; Томский государственный университет сис-

тем управления и радиоэлектроники, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры; E-mail: aav@scalpnet.ru Вадим Михайлович Карабан — аспирант; Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры; E-mail: karaban_vm@mail.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

конструирования и производства 25.02.09 г.

радиоаппаратуры

УДК 536.087.92

А. В. Митяков

ГРАДИЕНТНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ФИЗИЧЕСКОМ И ПРОМЫШЛЕННОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Описано применение градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в физическом и промышленном эксперименте. Созданы и протестированы новые градиентные датчики теплового потока повышенной теплостойкости. Приведены основные композиции для датчиков и их характеристики. Рассмотрены перспективы использования датчиков при температурах до 1300 К.

Ключевые слова: тепловой поток, датчик, эффект Зеебека, теплофизический эксперимент.

В современном эксперименте возможности цифровой преобразовательной техники превосходят уровень используемых датчиков. Одним из подтверждений этому служат датчики для измерения теплового потока (теплометрии). В работах [1—3] показано, что к наиболее перспективным относятся градиентные датчики теплового потока (ГДТП).

Действие ГДТП основано на поперечном эффекте Зеебека — появлении термоЭДС с вектором напряженности, нормальным к вектору теплового потока, в средах с анизотропией теплопроводности, электропроводности и коэффициента термоЭДС. Схема ГДТП (рис. 1) впервые была представлена в 1947 г. в работе Л. Гайлинга [4].

Элементарная теория ГДТП обобщена в работах [4, 5] и в общем случае сводится к следующему.

В кристалле с анизотропными теплопроводностью, электропроводностью и коэффициентом термоЭДС при прохождении теплового потока в направлении, не совпадающем с главными осями кристалла, возникает поперечная компонента электрического поля.

Исходным материалом для ГДТП служат вырезанные из кристалла под углом 9 параллелепипеды, которые называют анизотропными термоэлементами (АТЭ). На рис. 1, а показано, что угол 9 не совпадает с главными кристаллографическими осями С\ и С3.

z

Рис. 1

Поскольку АТЭ обладает анизотропией теплопроводности, вектор теплового потока во всех сечениях, кроме плоскости z=0, будет отклоняться от оси z. Это означает, что разность температур возникает не только в направлении оси z, но и в направлении оси x, вдоль которой генерируется термоЭДС Ex, пропорциональная градиенту дТ/дz (т.е., на основании закона Фурье, плотности теплового потока qz ):

(s33 -s11)sin 9 cos 9- F0 qz

E -

A

2 sin2 9+X2ii cos2 9-b

33 11

где Бц, 833 — коэффициенты термоЭДС в направлениях осей С1 и С3 соответственно;

^11, ^33 — составляющие тензора теплопроводности в тех же направлениях; F0 — площадь АТЭ в плане; b — ширина АТЭ.

Таким образом, величина E связана с плотностью теплового потока q, проходящего через сечение датчика, соотношением

E = qFS0,

где F — площадь ГДТП в плане, S0 — вольт-ваттная чувствительность.

Конструкция типичного ГДТП ясна из рис. 1, б: АТЭ 1 соединены контактами 3 на основе из слюды 5; друг от друга элементы изолированы прокладками 2; крайние элементы снабжены выводами 4.

Градиентные датчики теплового потока конструкции Н. П. Дивина [б, 7] выполнены на основе монокристалла висмута чистоты 0,9999. Они обладают чувствительностью S0=5...20 мВ/Вт и рабочим диапазоном температур 20...540 К (верхняя граница близка к точке плавления висмута). Датчики имеют толщину около 0,2 мм. Форма их может быть произвольной; в опытах [1 ] использовались преимущественно прямоугольные датчики размерами в плане от 1x1 до 10x10 мм . Ограничения на дальнейшее увеличение размеров связаны только со стоимостью и трудоемкостью изготовления. С другой стороны, благодаря небольшим размерам датчиков можно считать температуру поверхности в их окрестности постоянной, что делает возможным измерения теплового потока на неизотермических поверхностях.

Конструкция градуировочного стенда [1] обеспечивает сопоставление термоЭДС ГДТП с тепловым потоком от электрического нагревателя, измеряемым в соответствии с законом Джоуля — Ленца с погрешностью не более 1 %.

Наиболее интересную особенность ГДТП представляют их динамические характеристики. Исследования пяти датчиков из висмута толщиной от 0,2 до 4,0 мм показали, что постоянная времени всех датчиков практически одинакова [1]. По последним оценкам (полученным при облучении поверхности датчика с помощью импульсов лазера ОГМ-20 на длине волны б93,4 нм и регистрации сигнала осциллографом Tektronix) время реакции ГДТП из висмута составляет 10 .10 с, что позволяет производить измерения теплового потока в различных процессах с частотой до 10 ГГц [2, 3].

Выявленное аномально высокое быстродействие ГДТП из висмута требует дополнительных исследований с позиции физики твердого тела, а также уточнения возможности использования результатов градуировки датчиков в стационарном режиме при измерении теплового потока, создаваемого импульсным лазером.

Простейшими датчиками продольного типа являются одиночные датчики, созданные в 1960-х гг. в Институте технической теплофизики НАН Украины (Киев) под руководством О. А. Геращенко [5].

Существенным недостатком одиночного датчика является низкая вольт-ваттная чувствительность. Значительно большей чувствительностью обладают многоспайные (батарейные) датчики [5]; число их спаев достигает нескольких тысяч.

Сопоставление возможностей датчиков продольного и поперечного типов в стационарной и нестационарной теплометрии [1] показало следующее. При стационарном режиме условия измерений, градуировки и другие характеристики датчиков обоих типов близки, но различия между ними остаются. Датчик продольного типа должен быть „термически толстым", чтобы обеспечить максимальный перепад температур (и увеличить сигнал); это увеличивает искажения в поле температуры и, следовательно, методическую погрешность измерения. В то же время датчики поперечного типа можно делать тонкими, насколько это технологически возможно: градиент температуры в стационарном режиме от толщины датчика не зависит.

При нестационарном режиме принципиальное различие двух типов датчиков заключается в том, что сигнал датчика продольного типа пропорционален перепаду температур по всей толщине, а сигнал ГДТП, видимо, формируется в его тонком поверхностном слое. Анализ зависимости сигнала датчиков от времени показывает [1], что (при одинаковых размерах обоих датчиков) для получения приемлемой погрешности измерения (около 1.. .2 %) расчетное быстродействие типичного датчика конструкции О. А. Геращенко составляет около 4 с, а быстродействие ГДТП (если учитывать минимальный слой, в котором возможно формирование термоЭДС) — 10-5 с.

Показания ГДТП достаточно стабильны: градуировки одного и того же датчика, выполненные в 1960-х и 1990-х гг. показали, что изменение вольт-ваттной чувствительности не превышает 1.2 %.

Начиная с 1996 г. в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПбГПУ) проводились исследования, в ходе которых с ГДТП регистрировалась информация о местной плотности теплового потока в процессах конвективного, радиационного и сложного теплообмена [1].

В частности, рассматривались классические задачи конвективного теплообмена: поперечное обтекание одиночного цилиндра (гладкого и с турбулизаторами), обтекание сферической лунки на пластине, каверн и траншей, свободно-конвективное обтекание вертикальной пластины. Во всех случаях температура обтекаемой поверхности поддерживалась (путем обогрева насыщенным водяным паром) на уровне 373 К. Опыты подтвердили работоспособность ГДТП и позволили выявить важные особенности теплообмена: установлено, в частности, что колебания плотности теплового потока происходят на частотах около 10 Гц.

В ходе исследований впервые в мировой практике была получена зависимость плотности теплового потока на поверхности камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала [1].

Многочисленные работы, выполненные в ударных трубах и на промышленных турбогенераторах мощностью 160 МВт [1—3], показали, помимо прочего, что ГДТП являются единственными датчиками, работоспособными в условиях электромагнитных воздействий порядка 2.4 Тл и гамма-излучения.

К числу важных и принципиально неустранимых недостатков ГДТП из висмута относятся:

— низкая теплостойкость ( до 544,5 К — точки плавления висмута);

— значительная трудоемкость и малая пригодность технологии изготовления к условиям промышленного производства;

— ограничения толщины датчика технологически достижимым пределом, равным 0,1 мм.

Изложенные причины привели к необходимости создания нового семейства ГДТП —

гетерогенных ГДТП (ГГДТП) — на основе использования композитов с косослойным расположением металлических и полупроводниковых пластин, обладающих анизотропией эффективных теплофизических и электрофизических характеристик.

Теория ГГДТП достаточно полно представлена в работах [4, 5]. Показано, в частности (см. рис. 2, а), что сигнал, генерируемый единицей длины ГГДТП,

Е = £1 -82 .. к8(к,-кр) ! к. +кх 1

I 2,1 ^(к5 +кр)(к8 +к,)^+к8к, к,' К)

где Е — термоЭДС ГГДТП; I — длина датчика; 81, 8 2 — коэффициенты термоЭДС 1-го и 2-го слоев композита; к, = ,2/ ,1, кр = р 2/ Р1, к§ = 82/ §1 — безразмерные параметры, определяемые теплопроводностью ,1, ,2, электропроводностью Р1, Р2 и толщиной 81, 82 слоев композита.

Исследование функции Е/1 выявило ее монотонность по параметру кр (пара материалов выбрана тем удачнее, чем больше разнятся значения р! и Р2 ); в то же время существуют экстремумы этой функции по двум другим параметрам.

а)

б)

к 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

—4--кр=1,0 —г— кр=0,5 — кр=0,3 — кр=0,2 —■--кр=0,1

к5 тах

1.1.1.1.1

2

8

10

К

4 6

Рис. 2

При конструировании ГГДТП наиболее важно знать параметр к5, задающий соотноше

ние толщины слоев, составляющих композит. Для функции

2д%1

ЕЕ =-

-Е = I(к\ кр к8 )

(2)

I( -82 )

построен график (рис. 2, б), задающий значение к5тах, соответствующее максимальному сигналу Е.

Поскольку формула (1) получена в линейном приближении, она не может применяться в широком диапазоне температур, когда существенно изменяются и кр, и к^. В то же время ее

можно использовать на отдельных температурных участках, где линейное приближение допустимо, а затем выбирать значение к5 для рабочего интервала температур.

При создании композитов из разнородных материалов требуется, как принято считать, использовать достаточно специфичные технологии — такие как диффузионная сварка в вакууме [8, 9]. Существенных отличий по структуре и чувствительности ГГДТП, созданных с использованием вакуума и без него, не выявлено. Не отвергая возможностей диффузионной сварки в вакууме (например, для сплавов титана и других материалов с повышенной окис-ляемостью), простоту предложенной технологии можно считать одним из ее важных

преимуществ: композиты можно создавать в простейших условиях, широко варьируя ассортимент используемых материалов.

К настоящему времени созданы ГГДТП на основе композиций сталь 12X18Н9Т + никель, сталь 65X13 + никель, хромель + алюмель и железо + константан [10]. Эти ГГДТП применимы при температурах до 1300 К и выше.

Технология состоит в следующем. Металлические пластины из обоих материалов (сталь + никель и др.) должны быть обезжиренными, с высотой микронеровностей в 1.10 мкм. Стопку чередующихся пластин помещают в электрическую печь, сжимают давлением 0,1.0,2 МПа и нагревают до температуры, составляющей 0,5.0,7 от абсолютной температуры точки солидуса менее тугоплавкого материала (для чистых металлов — точки плавления). Время выдержки при этой температуре составляет 60.900 с. В результате сварки образуется многослойный брусок с анизотропией тепло-, электрофизических и термоэлектрических свойств. После охлаждения брусок разрезают на пластины, расположенные под углом 20.45° к его плоскостям. Изготовленные таким образом датчики градуируют. Значения вольт-ваттной чувствительности датчиков при температуре около 300 К приведены ниже.

Композиция Чувствительность, мВ/Вт

Сталь 12Х18Н9Т + никель Хромель + алюмель Титан + молибден 0,40 0,35 0,02

Микроструктура одной из композиций (сталь 12Х18Н9Т + никель) представлена на рис. 3.

Рис. 3

Особый интерес вызывает применение композиций полупроводник + металл и полупроводник + полупроводник, поскольку значения коэффициентов термоЭДС у полупроводников на порядок и более превышают уровень, характерный для металлов.

ГГДТП из композиции кремний + алюминий был создан в СПбГПУ в условиях диффузионной сварки в воздушной среде (при температуре около 820 К и выдержке в течение 1 ч). Высокая степень растворимости алюминия в кремнии, что традиционно используется в цветной металлургии, сыграла положительную роль, обеспечив диффузионное соединение с образованием переходной зоны шириной 5.15 мкм.

Более перспективной представляется композиция из слоев кремния с п- и ^-проводимостью. (Применяемая в технике полупроводников технология соединения стандартных кремниевых дисков (диаметром 60 мм и толщиной 0,35 мм) [9] трудоемка и в настоящее время не используется.) С использованием в качестве прокладок между слоями кремния алюминиевой фольги толщиной 0,05 мм по описанной выше технологии в СПб ГПУ был получен слоистый композит кремний + кремний. Чувствительность таких датчиков почти вдвое превышает уро-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

вень, достигнутый ГГДТП из композита кремний + алюминий, а теплостойкость ограничена температурой размягчения кремния (1100 К).

Применение высокотемпературных ГГДТП оправдано как в условиях теплотехнического эксперимента, так и, что важнее, в промышленных условиях. В настоящее время датчики из композита сталь 12Х18Н9Т + никель устанавливаются на трубах котельных агрегатов взамен традиционных теплометрических вставок, что позволяет определить местные тепловые потоки в различных зонах котла, а в перспективе обеспечить исследование поля теплового потока в различных его зонах.

По мере накопления опыта и совершенствования технологии возникнут и другие приложения. Важно понять, что с появлением высокотемпературных ГГДТП существенно меняются как возможности, так и идеология теплометрии в энергетических установках.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сапожников С. З., Митяков В. Ю., Митяков А. В. Градиентные датчики теплового потока в теплотехническом эксперименте. СПб.: СПбГПУ, 2007. 202 с.

2. Митяков В. Ю., Можайский С. А., Сапожников С. З. Градиентные датчики для высокотемпературной теплометрии / Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34, № 19. С.1—55.

3. Бобашев С. В., Менде Н. П., Попов П. А. и др. Использование анизотропных датчиков теплового потока в аэродинамическом эксперименте // Там же. 2009. Т. 35, № 5. С. 36—42.

4. GeilingL. Das Thermoelement als Strahlungsmesser // Zschr. F. Angew. Phys. 1951. Bd. 3.12.

5. Геращенко О. А. Основы теплометрии. Киев: Наук. думка, 1971. 192 с.

6. Свид. на полезную модель № 9959. Датчик теплового потока / Н. П. Дивин. Приоритет от 10.08.1998.

7. Divin N., Sapozhnikov S. Gradient heat-flux transducers: application for heat investigations // Proc. of Intern. Symposium in Power Machinery. Moscow, 1995. P. 79.

8. Диффузионная сварка материалов: Справочник / В. П. Антонов и др.; Под ред. Н. Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981. 271 с.

9. Воронков В. Б., Гук Е. Г., Козлов В. А., Шуман В. Б. Прямое сращивание кремниевых пластин с диффузионным слоем // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, № 6. С. 1—5.

10. Пат. на полезную модель № 75467. Датчик теплового потока (варианты) / В. Ю. Митяков, А. В. Митяков, С. З. Сапожников. Заявка № 2007137839, приоритет от 04.10.07.

Сведения об авторе

Андрей Владимирович Митяков — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра теоретических основ теплотехники; E-mail: mitiakov@mail.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

теоретических основ теплотехники 22.05.09 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.