高溫大量程熱流傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

張翠平，方 俊

(1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210046；2.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 210007；3.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098)

0 引言

熱流傳感器是研究熱量傳輸?shù)闹匾獋鞲性?，隨著熱流檢測(cè)技術(shù)與相關(guān)理論的發(fā)展，熱流傳感器在科學(xué)研究、航空航天、動(dòng)力工程等方面有廣泛的應(yīng)用，特別是高溫大熱流的應(yīng)用，在無法采用水冷、風(fēng)冷等冷卻手段時(shí)，需采用自身儲(chǔ)熱的方式工作，熱結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)熱體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了工作時(shí)間的長(zhǎng)短?，F(xiàn)有的熱流傳感器在儲(chǔ)熱體尺寸一定的前提下，由于暴露在高溫環(huán)境下而沒有良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致儲(chǔ)熱體溫度不能長(zhǎng)時(shí)間恒定，從而引起傳感器測(cè)量誤差，限制了在一些需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的、高量程熱流情況下的應(yīng)用。

熱流傳感器基于熱電偶原理，輸出的信號(hào)是微弱的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，一般在幾個(gè)mV左右。該微弱的電信號(hào)受到材料、制作工藝等的影響，同一量程尤其是大量程的、不能帶水冷措施的熱流傳感器輸出差別較大。為便于后續(xù)系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)信噪比，通常情況下需要對(duì)傳感器輸出的弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，以保證傳感器輸出信號(hào)高度一致。

目前，國(guó)內(nèi)外的許多研究機(jī)構(gòu)和科研工作者都在熱流傳感器的研制方面做了大量的工作，但主要集中于原理性的、新材料等的研究，基于如何提高大量程的、不能帶水冷措施的熱流傳感器的測(cè)量時(shí)間以及信號(hào)的歸一化輸出研究甚少。本文結(jié)合所建立的熱傳導(dǎo)模型，優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝，以期在儲(chǔ)熱體尺寸不變的情況下，延長(zhǎng)熱流傳感器在高溫高量程熱流輻射下的工作時(shí)間，以及實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的歸一化輸出。

1 熱流傳感器的工作原理及熱傳導(dǎo)模型

本文以熱電堆式熱流傳感器為例。熱電堆式熱流傳感器是基于溫度梯度設(shè)計(jì)的熱流測(cè)試器件，其熱流敏感元件(測(cè)頭)的示意圖如圖1所示，熱電堆均勻纏繞在熱阻層上，保證熱電偶的結(jié)點(diǎn)分布在同一垂直的面上。熱阻層的上表面接受外界垂直入射的熱流，熱流在熱阻層上沿著軸向熱傳導(dǎo)，在熱阻層的上下表面形成溫度梯度。熱電堆通過熱阻層上下表面的溫度差來測(cè)量熱流密度[1-2]。

圖1 熱電堆式熱流傳感器的結(jié)構(gòu)圖

圖2為熱電堆的原理圖，通過把n支相同型號(hào)的熱電偶依次將正、負(fù)連接，以提高靈敏度和測(cè)量精度，其總電勢(shì)等于每對(duì)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)之和。

圖2 熱電堆原理圖

一般來說，熱電堆式熱流傳感器的電壓輸出正比于熱阻層兩邊的溫差ΔT：

E=nE1=nSTΔT

(1)

式中：E1為任意一對(duì)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)；ST為熱電堆材料的塞貝克系數(shù)；n為熱電偶的數(shù)目。

要計(jì)算熱阻層兩邊的溫差ΔT，就必須建立傳感器結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)模型，經(jīng)分析，模型如式(2)所示[1]：

(2)

式中：q為輻射熱流；λ為熱阻層的導(dǎo)熱系數(shù)；l為熱阻層的厚度。

將式(2)代入式(1)就可以得到熱流大小與輸出電壓之間的關(guān)系：

(3)

式中C為熱流計(jì)的測(cè)頭系數(shù)，其含義是當(dāng)密度為只取其數(shù)值的熱流垂直通過熱流計(jì)測(cè)頭時(shí)，測(cè)頭產(chǎn)生的電勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用中可以通過選擇不同的材料和設(shè)置不同數(shù)目的熱電偶來控制它的大小。

從式(3)可以看出，能夠引起熱流大小q與輸出電壓E之間關(guān)系變?yōu)榉蔷€性的因素有2個(gè)：熱阻層的導(dǎo)熱系數(shù)λ隨溫度發(fā)生了變化；熱電堆材料的塞貝克系數(shù)ST隨溫度發(fā)生了明顯變化。這兩種情況下，關(guān)系式都不再是線性的。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及Abaqus有限元仿真結(jié)果，如圖3和圖4所示，當(dāng)工作時(shí)間超過150 s或熱阻層上下表面溫度差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，式(3)的線性關(guān)系不再成立[1]。為保證在高溫大量程熱流測(cè)量情況下，輸出仍線性且能滿足一定的測(cè)量時(shí)間，除了選擇合適的熱阻層材料和熱電堆材料，在傳感器整體結(jié)構(gòu)上也必須要合理優(yōu)化。

圖3 熱阻層上下表面溫差數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較圖

圖4 熱電堆的溫度差與輸出電壓的關(guān)系曲線(以E型材料為例)

2 熱流傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證式(3)輸出與輸入的線性關(guān)系，一般保持熱阻層的下層溫度恒定，在不方便采取水冷措施的前提下，下層采用儲(chǔ)熱體的方式，將多余的熱量吸收以保持下層溫度恒定，但由于儲(chǔ)熱體不可能無限儲(chǔ)熱，這就有了工作時(shí)間的限制。為解決這個(gè)問題，針對(duì)高量程大熱流的測(cè)量需求對(duì)熱流傳感器進(jìn)行了如圖5所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 熱流傳感器結(jié)構(gòu)圖

它主要由不銹鋼殼體、熱流敏感芯體(由敏感面和2段截面不等的圓柱形銅儲(chǔ)熱體組成)、絕熱瓷環(huán)A、絕熱瓷環(huán)B、轉(zhuǎn)接電路板、不銹鋼端蓋、安裝螺釘和彈性墊圈、隔熱膠及外接導(dǎo)線等組成。

絕熱瓷環(huán)A采用易加工的微晶云母陶瓷，在保證結(jié)構(gòu)可靠的前提下，由于陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼低很多，因此當(dāng)有正面熱流入射時(shí)，減少熱量向儲(chǔ)熱體的傳遞，減少儲(chǔ)熱體的溫升，延長(zhǎng)工作時(shí)間。絕熱瓷環(huán)B的功能同絕熱瓷環(huán)A，減少熱量向儲(chǔ)熱體的傳遞。圓柱形銅儲(chǔ)熱體(圖中熱流芯體的一部分)外表面拋光并鍍上一層薄薄的銀，利用銀層將四周輻射過來的熱流反射回去，保證儲(chǔ)熱體的溫度不受外界影響，能長(zhǎng)時(shí)間保持恒定，延長(zhǎng)工作時(shí)間。熱流敏感芯體的敏感面涂覆黑體輻射涂料，提高敏感面吸收率。同時(shí)為保證信號(hào)輸出的一致性及整體結(jié)構(gòu)的可靠性，在絕熱瓷環(huán)B上放置轉(zhuǎn)接電路板，芯體輸出線通過轉(zhuǎn)接電路板上穿孔線和過孔線焊接可靠固定，并將敏感芯體的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后再將信號(hào)接入外接導(dǎo)線，絕熱瓷環(huán)B和轉(zhuǎn)接電路板空腔處灌以隔熱膠，之后外接導(dǎo)線通過熱流端蓋的通孔輸出到外部接入電連接器。

經(jīng)過上述結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)，在儲(chǔ)熱體尺寸不變的情況下，熱流傳感器能夠在高溫高量程熱流輻射下長(zhǎng)時(shí)間工作，在1 MW/m2以上的輻射熱流下工作時(shí)間能夠延長(zhǎng)20%以上。

3 熱流芯體的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

熱流傳感器輸出的微弱電信號(hào)受到材料、制作工藝等的影響，同一量程尤其是大量程的、不能帶水冷措施的熱流傳感器輸出差別較大。為便于后續(xù)系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)信噪比，通常情況下需要對(duì)傳感器輸出的弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，以保證傳感器輸出信號(hào)高度一致。由于結(jié)構(gòu)所限，圖5中所示的轉(zhuǎn)接電路板尺寸不能太大，因此信號(hào)調(diào)理電路中的運(yùn)放選擇集成度較高的儀用放大器AD620。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，且有8引腳的SOIC封裝，尺寸很小，適合本項(xiàng)目的需求。具體的調(diào)理電路如圖6所示。圖中的OUT-和OUT+是熱流敏感芯體的輸出，與-IN和+IN之間的連接通過圖5中轉(zhuǎn)接電路板上的過孔完成，保證連接的可靠性。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路

根據(jù)圖6，AD620的輸出輸入關(guān)系式為

(4)

其中R由圖6中R1和R2并聯(lián)組成，根據(jù)芯體的實(shí)際輸出，選擇合適的R2，保證同一量程熱流輸入時(shí)，輸出的電壓值Vout值基本一致。

4 試驗(yàn)測(cè)試

采用熱流傳感器校準(zhǔn)裝置，對(duì)采用上述結(jié)構(gòu)、工藝和調(diào)理電路制作的20支熱流傳感器(量程為1 MW/m2)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 同一量程不同編號(hào)的熱流傳感器輸出值 mV

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，傳感器的輸出一致性較好，誤差基本在5%范圍以內(nèi)。

對(duì)工作時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示，一般情況下在1 MW/m2入射熱流下，工作時(shí)間超過150 s左右輸出出現(xiàn)非線性，而采用文中所述結(jié)構(gòu)后，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 同一支熱流傳感器在不同時(shí)間的輸出值

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，傳感器的工作時(shí)間在200 s以后出現(xiàn)下降，也就是說采用新的結(jié)構(gòu)后在1 MW/m2入射熱流下傳感器工作時(shí)間能持續(xù)200 s左右，相比之前的結(jié)構(gòu)工作時(shí)間延長(zhǎng)了20%以上。

5 結(jié)論

本文結(jié)合所建立的熱傳導(dǎo)模型，分析影響熱流傳感器不能長(zhǎng)時(shí)間工作的因素，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝，在儲(chǔ)熱體尺寸不變的情況下，熱流傳感器能夠在高溫高量程熱流輻射下長(zhǎng)時(shí)間工作，在1 MW/m2以上的輻射熱流下工作時(shí)間能夠延長(zhǎng)20%以上，且經(jīng)小批量生產(chǎn)驗(yàn)證后，同一量程的傳感器輸出誤差在5%以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的歸一化輸出。因此該熱流傳感器適用于在無法采取水冷措施的情況下高溫高熱流環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間有效工作，且輸出信號(hào)的信噪比高、能實(shí)現(xiàn)無縫更換，在宇航、空間技術(shù)和一些高科技領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。