ГРАДИЕНТНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ФИЗИЧЕСКОМ И ПРОМЫШЛЕННОМ ЭКСП
Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте 75
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).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
76 А. В. Митяков
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 θ параллелепипеды, которые называют анизотропными термоэлементами (АТЭ). На рис. 1, а показано, что угол θ не совпадает с главными кристаллографическими осями С1 и С3.
z а) C1
C3
90°
0θ
x h
C2 y l
b
б) 2
1
3
5 4
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 кото-
рой генерируется термоЭДС Ex , пропорциональная градиенту ∂T ∂ z (т.е., на основании за-
кона Фурье, плотности теплового потока qz ):
Ex =
(ε33 −ε11) sin θ cos θ⋅F0qz ,
λ233
sin
2
θ
+
λ
2 11
cos2
θ
⋅b
где ε11 , ε33 — коэффициенты термоЭДС в направлениях осей С1 и С3 соответственно;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте 77
λ11, λ33 — 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 [6, 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 1×1 до 10×10 мм2. 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 693,4 нм и регистрации сигнала осциллографом Tektronix) время реакции ГДТП из висмута составляет 10–8…10–9 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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
78 А. В. Митяков
При нестационарном режиме принципиальное различие двух типов датчиков заключа-
ется в том, что сигнал датчика продольного типа пропорционален перепаду температур по
всей толщине, а сигнал ГДТП, видимо, формируется в его тонком поверхностном слое. Ана-
лиз 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 универси-
тете (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: попе-
речное обтекание одиночного цилиндра (гладкого и с турбулизаторами), обтекание сфериче-
ской 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 работоспособ-
ность ГДТП и позволили выявить важные особенности теплообмена: установлено, в частно-
сти, что колебания плотности теплового потока происходят на частотах около 10 Гц. В ходе исследований впервые в мировой практике была получена зависимость плотно-
сти теплового потока на поверхности камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворо-
та коленчатого вала [1].
Многочисленные работы, выполненные в ударных трубах и на промышленных турбоге-
нераторах мощностью 160 МВт [1—3], показали, помимо прочего, что ГДТП являются единственными датчиками, работоспособными в условиях электромагнитных воздействий поряд-
ка 2…4 Тл и гамма-излучения.
К числу важных и принципиально неустранимых недостатков ГДТП из висмута отно-
сятся: — низкая теплостойкость ( до 544,5 К — точки плавления висмута);
— значительная трудоемкость и малая пригодность технологии изготовления к услови-
ям 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 распо-
ложением металлических и полупроводниковых пластин, обладающих анизотропией эффек-
тивных 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,
E l
=
ε1 −ε2 2λ1
q
kδ (kλ −kρ ) (kδ + kρ )(kδ + kλ )
kδ +kλ 1+ kδkλ
1 kλ
,
(1)
где Е — термоЭДС ГГДТП; l — длина датчика; ε1, ε2 — коэффициенты термоЭДС 1-го и 2-го
слоев композита; kλ = λ2 λ1 , kρ = ρ2 ρ1 , kδ = δ2 δ1 — безразмерные параметры, определяе-
мые теплопроводностью λ1 , λ2 , электропроводностью ρ1 , ρ2 и толщиной δ1 , δ2 слоев композита.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте 79
Исследование функции E l выявило ее монотонность по параметру kρ (пара материа-
лов выбрана тем удачнее, чем больше разнятся значения ρ1 и ρ2 ); в то же время существуют экстремумы этой функции по двум другим параметрам.
а)
q
1 2 δ1 δ2
θ
l E
б) kδ 1,0 0,8 0,6
0,4 0,2
kδ max
— kρ=1,0 — kρ=0,5 — kρ=0,3 — kρ=0,2 — kρ=0,1
0 2 4 6 8 10 kλ
Рис. 2
При конструировании ГГДТП наиболее важно знать параметр kδ , задающий соотноше-
ние толщины слоев, составляющих композит.
Для функции
Е∗
=
l
2qλ1
(ε1 −ε2
)
E
=
f
(kλ , kρ, kδ
)
(2)
построен график (рис. 2, б), задающий значение kδmax , соответствующее максимальному сиг-
налу Е.
Поскольку формула (1) получена в линейном приближении, она не может применяться в
широком диапазоне температур, когда существенно изменяются и kρ , и kλ . В то же время ее
можно использовать на отдельных температурных участках, где линейное приближение до-
пустимо, а затем выбирать значение kδ для рабочего интервала температур.
При создании композитов из разнородных материалов требуется, как принято считать,
использовать достаточно специфичные технологии — такие как диффузионная сварка в ва-
кууме [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
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
80 А. В. Митяков
преимуществ: композиты можно создавать в простейших условиях, широко варьируя ассортимент используемых материалов.
К настоящему времени созданы ГГДТП на основе композиций сталь 12X18H9T + 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…45º к его плоскостям. Изготовленные таким образом датчики градуируют. Значения вольт-ваттной чувствительности датчиков при температуре около 300 К приведены ниже.
Композиция
Сталь 12X18H9T + никель Хромель + алюмель Титан + молибден
Чувствительность, мВ/Вт
0,40 0,35 0,02
Микроструктура одной из композиций (сталь 12X18H9T + никель) представлена на рис. 3.
100 мкм
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 n- и р-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-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте 81
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 12X18H9T + 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. Geiling L. 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.
Андрей Владимирович Митяков
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный по-
литехнический университет, кафедра теоретических основ теплотехники; E-mail: mitiakov@mail.ru
Рекомендована кафедрой теоретических основ теплотехники
Поступила в редакцию 22.05.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
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).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
76 А. В. Митяков
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 θ параллелепипеды, которые называют анизотропными термоэлементами (АТЭ). На рис. 1, а показано, что угол θ не совпадает с главными кристаллографическими осями С1 и С3.
z а) C1
C3
90°
0θ
x h
C2 y l
b
б) 2
1
3
5 4
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 кото-
рой генерируется термоЭДС Ex , пропорциональная градиенту ∂T ∂ z (т.е., на основании за-
кона Фурье, плотности теплового потока qz ):
Ex =
(ε33 −ε11) sin θ cos θ⋅F0qz ,
λ233
sin
2
θ
+
λ
2 11
cos2
θ
⋅b
где ε11 , ε33 — коэффициенты термоЭДС в направлениях осей С1 и С3 соответственно;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте 77
λ11, λ33 — 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 [6, 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 1×1 до 10×10 мм2. 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 693,4 нм и регистрации сигнала осциллографом Tektronix) время реакции ГДТП из висмута составляет 10–8…10–9 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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
78 А. В. Митяков
При нестационарном режиме принципиальное различие двух типов датчиков заключа-
ется в том, что сигнал датчика продольного типа пропорционален перепаду температур по
всей толщине, а сигнал ГДТП, видимо, формируется в его тонком поверхностном слое. Ана-
лиз 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 универси-
тете (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: попе-
речное обтекание одиночного цилиндра (гладкого и с турбулизаторами), обтекание сфериче-
ской 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 работоспособ-
ность ГДТП и позволили выявить важные особенности теплообмена: установлено, в частно-
сти, что колебания плотности теплового потока происходят на частотах около 10 Гц. В ходе исследований впервые в мировой практике была получена зависимость плотно-
сти теплового потока на поверхности камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворо-
та коленчатого вала [1].
Многочисленные работы, выполненные в ударных трубах и на промышленных турбоге-
нераторах мощностью 160 МВт [1—3], показали, помимо прочего, что ГДТП являются единственными датчиками, работоспособными в условиях электромагнитных воздействий поряд-
ка 2…4 Тл и гамма-излучения.
К числу важных и принципиально неустранимых недостатков ГДТП из висмута отно-
сятся: — низкая теплостойкость ( до 544,5 К — точки плавления висмута);
— значительная трудоемкость и малая пригодность технологии изготовления к услови-
ям 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 распо-
ложением металлических и полупроводниковых пластин, обладающих анизотропией эффек-
тивных 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,
E l
=
ε1 −ε2 2λ1
q
kδ (kλ −kρ ) (kδ + kρ )(kδ + kλ )
kδ +kλ 1+ kδkλ
1 kλ
,
(1)
где Е — термоЭДС ГГДТП; l — длина датчика; ε1, ε2 — коэффициенты термоЭДС 1-го и 2-го
слоев композита; kλ = λ2 λ1 , kρ = ρ2 ρ1 , kδ = δ2 δ1 — безразмерные параметры, определяе-
мые теплопроводностью λ1 , λ2 , электропроводностью ρ1 , ρ2 и толщиной δ1 , δ2 слоев композита.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте 79
Исследование функции E l выявило ее монотонность по параметру kρ (пара материа-
лов выбрана тем удачнее, чем больше разнятся значения ρ1 и ρ2 ); в то же время существуют экстремумы этой функции по двум другим параметрам.
а)
q
1 2 δ1 δ2
θ
l E
б) kδ 1,0 0,8 0,6
0,4 0,2
kδ max
— kρ=1,0 — kρ=0,5 — kρ=0,3 — kρ=0,2 — kρ=0,1
0 2 4 6 8 10 kλ
Рис. 2
При конструировании ГГДТП наиболее важно знать параметр kδ , задающий соотноше-
ние толщины слоев, составляющих композит.
Для функции
Е∗
=
l
2qλ1
(ε1 −ε2
)
E
=
f
(kλ , kρ, kδ
)
(2)
построен график (рис. 2, б), задающий значение kδmax , соответствующее максимальному сиг-
налу Е.
Поскольку формула (1) получена в линейном приближении, она не может применяться в
широком диапазоне температур, когда существенно изменяются и kρ , и kλ . В то же время ее
можно использовать на отдельных температурных участках, где линейное приближение до-
пустимо, а затем выбирать значение kδ для рабочего интервала температур.
При создании композитов из разнородных материалов требуется, как принято считать,
использовать достаточно специфичные технологии — такие как диффузионная сварка в ва-
кууме [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
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
80 А. В. Митяков
преимуществ: композиты можно создавать в простейших условиях, широко варьируя ассортимент используемых материалов.
К настоящему времени созданы ГГДТП на основе композиций сталь 12X18H9T + 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…45º к его плоскостям. Изготовленные таким образом датчики градуируют. Значения вольт-ваттной чувствительности датчиков при температуре около 300 К приведены ниже.
Композиция
Сталь 12X18H9T + никель Хромель + алюмель Титан + молибден
Чувствительность, мВ/Вт
0,40 0,35 0,02
Микроструктура одной из композиций (сталь 12X18H9T + никель) представлена на рис. 3.
100 мкм
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 n- и р-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-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7
Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте 81
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 12X18H9T + 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. Geiling L. 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.
Андрей Владимирович Митяков
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный по-
литехнический университет, кафедра теоретических основ теплотехники; E-mail: mitiakov@mail.ru
Рекомендована кафедрой теоретических основ теплотехники
Поступила в редакцию 22.05.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7