Сенсор плотности теплового потока
Предлагаемый сенсор относится к области измерительной техники и может быть использован в устройствах для определения плотности теплового потока.
Предложен сенсор плотности теплового потока, содержащий несущую основу и батарею, концентратор, располагающийся на центральной части несущей основы, которая выполнена в виде кремниевой профилированной мембраны, на которой расположена батарея термопар, выполненная в виде поликремний-алюминиевых мезоструктур и покрытая сверху слоем защитного диэлектрического окисла.
Предложенный сенсор имеет более высокую чувствительность.
Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в устройствах для определения плотности теплового потока.
Известен сенсор плотности теплового потока фирмы Rdf (http://www.rdfcorp.com/products/hflux/hfs-c_01.shtml), содержащий несущую основу, которая позволяет преобразовывать плотность теплового потока в разность температур, а также батарею термопар в качестве термопреобразователя разности температур в электрический сигнал.
Однако в указанном сенсоре используются металлические термопары с относительно небольшим коэффициентом термоЭДС, а также данное устройство обладает малым тепловым сопротивлением, что ведет к уменьшению чувствительности устройства.
Кроме того, известен сенсор плотности теплового потока фирмы hukseflux (http://www.hukseflux.com/heat%20flux/hfp01sc.pdf), являющийся прототипом предлагаемого сенсора и содержащий несущую основу диаметром 80 мм и толщиной 5 мм, которая изготавливается из теплоизоляционного материала (например, резины) и благодаря этому позволяет преобразовывать плотность теплового потока в разность температур. Также имеется батарея металлических термопар (200 шт.), с коэффициентом термоЭДС порядка 40 мкВ/К, в качестве термопреобразователя разности температур в электрический сигнал. Термопары находятся в несущей основе перпендикулярно, то есть концы термопреобразователя подключены к верхней и нижней сторонам основы (приложение). Под действием теплового потока в несущей основе возникает разность температур, которую можно определить по формуле:
Где р - плотность теплового потока, Вт/м 2;
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).
T - разность температур между горячей и холодной сторонами несущей основы, К;
Х - толщина несущей основы, м.
Возникшая разность температур преобразуется в выходной электрический сигнал при помощи батареи термопар по формуле:
где Е - величина термо-ЭДС, В;
T - коэффициент термо-ЭДС, В/К;
Т - разность температур спаев термопар, К.
n - количество термопар.
Температурный диапазон устройства-прототипа от -30° до +70°С.
Однако указанное устройство имеет несущую основу, с металлическими термопарами, расположенными параллельно падающему тепловому потоку, и обладающими малым коэффициентом термоЭДС. Поэтому данное устройство обладает небольшой чувствительностью 50 мкВ·м2 /Вт и узким температурным диапазоном от -30° до +70°С.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности сенсора и расширение температурного диапазона.
Поставленная задача достигается тем, что в известный сенсор плотности теплового потока, содержащий несущую основу и батарею термопар введен концентратор, располагающийся на центральной части несущей основы, которая выполнена в виде кремниевой профилированной мембраны, на которой расположена указанная батарея термопар, выполненных в виде поликремний-алюминиевых мезоструктур и покрытых сверху слоем защитного диэлектрического окисла.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство содержит несущую основу 1, батарею поликремний-алюминиевых термопар 2, концентратор 3, теплоизоляционное кольцо 4. На несущей основе 1 расположены батарея термопар 2 и теплоизоляционное кольцо 4, а также концентратор 3, располагающийся на центральной части несущей основы.
Устройство работает следующим образом: под действием теплового потока в несущей основе 1 возникает разность температур между центральной частью и бортиком. В свою очередь батарея поликремний-алюминиевых термопар 2 преобразует возникшую разность температур в выходной электрический сигнал по формуле 2. Для электрической изоляции друг от друга поликремниевые ветви термопар 2 выполнены в виде мезостуктур и покрыты сверху слоем защитного окисла. Это дает увеличение верхней границы температурного диапазона до 250°С.
Концентратор 3 позволяет передать тепловой поток непосредственно на центральную часть несущей основы 1. Плотность теплового потока p1, передаваемая концентратором 3 на центральную область несущей основы 1, равна
;
Где p2 - плотность падающего теплового потока;
S1 - площадь контакта концентратора 3 с центральной частью несущей основы.
S 2 - площадь основания концентратора 3, на которую падает измеряемый тепловой поток.
Кольцо 4 необходимо для фиксации концентратора 3 относительно несущей основы 1.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый сенсор теплового потока имеет более высокую чувствительность порядка 160 мкВ*м2/Вт. Это связано с тем, что, во-первых, в качестве несущей основы используется кремниевая профилированная мембрана, которая совместно с концентратором позволяет создавать разность температур в направлении перпендикулярном измеряемому тепловому потоку. Во-вторых, материалами термопар, которые расположены на несущей основе, таким образом, что их спаи находятся на центральной и боковой частях мембраны, являются поликремний и алюминий, что обеспечивает коэффициент термоЭДС порядка 120 мкВ/К.
1. Сенсор плотности теплового потока, содержащий несущую основу и батарею термопар, отличающийся тем, что в него введен концентратор, расположенный на центральной части несущей основы, которая выполнена в виде кремниевой профилированной мембраны, на которой расположена указанная батарея термопар, выполненных в виде поликремний-алюминиевых мезоструктур и покрытых сверху слоем защитного диэлектрического окисла.
