小熱流測(cè)量技術(shù)研究

李文峰，孟祥軍，張曉菲，盧超

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076）

1 引言

熱流測(cè)量技術(shù)在國(guó)防工程和民用節(jié)能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)防領(lǐng)域中，空間技術(shù)的發(fā)展對(duì)小量程熱流測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求。飛行器或衛(wèi)星等在外太空飛行時(shí)，表面小熱流參數(shù)非常重要。小熱流密度的測(cè)量技術(shù)研究對(duì)飛行器表面小熱流檢測(cè)以及表面材料散熱和保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

民用節(jié)能領(lǐng)域，熱流的測(cè)量主要是針對(duì)隔熱、保溫的維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，如建筑墻體、煉鋼爐的爐壁和地板等，主要對(duì)被測(cè)表面的熱損失進(jìn)行測(cè)量，從而檢驗(yàn)壁體的熱損及保溫性能[1]。

本文介紹了一種利用軸向?qū)嵩淼臒嶙枋絺鞲衅鳎m用于國(guó)防工程小熱流測(cè)量。

2 工作原理介紹

目前，應(yīng)用最廣的熱流傳感器主要有2大類，一類是利用導(dǎo)熱形成溫差原理的熱阻式熱流傳感器，該類傳感器包括利用軸向?qū)嵩淼臒嶙璋澹U）式傳感器（Schimdt-Boelter式熱流傳感器）和利用徑向?qū)嵩淼臒嶙枋綗崃鱾鞲衅鳎℅ARDON式熱流傳感器）；另一類是根據(jù)物體溫升速率確定熱流密度的熱容式熱流傳感器，該類傳感器包括金屬塊式（或稱塞式）熱流傳感器和同軸熱電偶熱流傳感器[2]。

Schimdt-Boelter式熱流傳感器采用熱電堆式熱流測(cè)頭，該熱流測(cè)頭的輸出信號(hào)和靈敏度只受安裝空間尺寸的影響，可以在很低的熱流密度下輸出較大的電壓信號(hào)；其次，熱電堆測(cè)頭只需要很小的溫度梯度就能產(chǎn)生較大的信號(hào)，因此，測(cè)頭上的溫度變化很小，對(duì)于測(cè)量低溫氣體產(chǎn)生的較小對(duì)流傳熱以及小熱流密度傳熱過(guò)程比較合適。

熱電堆式熱流測(cè)頭如圖1所示，主要由絕緣基板和n對(duì)熱電偶串聯(lián)組成，當(dāng)熱流方向垂直于基板端面時(shí)，基板兩面的熱電偶處會(huì)形成溫差ΔT。在穩(wěn)態(tài)條件下，此溫差與被測(cè)熱流密度q成正比關(guān)系：

式中，λ為基板材料的導(dǎo)熱系數(shù)；σ為基板材料的厚度。

同時(shí)，n對(duì)熱電偶串聯(lián)產(chǎn)生的熱電勢(shì)E為：

式中，E為測(cè)頭輸出熱電勢(shì)；e為熱電偶系數(shù)。

由式（1）和式（2）可得熱流密度與輸出電勢(shì)的關(guān)系：

由式（3）可知，熱流密度一定時(shí)，假如熱電偶系數(shù)和基板導(dǎo)熱系數(shù)比較穩(wěn)定，輸出熱電勢(shì)E只與熱電偶對(duì)數(shù)n有關(guān)，兩者成反比。在規(guī)定的應(yīng)用溫度區(qū)間內(nèi)使用時(shí)，盡量選擇熱電偶系數(shù)e和基板導(dǎo)熱系數(shù)λ比較穩(wěn)定的材料，有助于提高熱流測(cè)頭的輸出線性度。為了提高熱流測(cè)頭測(cè)吸熱率，確保輸出信號(hào)的靈敏度，在測(cè)頭表面涂覆黑色輻射涂料，可以提高測(cè)頭對(duì)熱量的吸收率，同時(shí)提高了測(cè)頭的耐氧化、耐腐蝕能力，可靠性更高。

3 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器敏感體采用熱電堆式熱流測(cè)頭，測(cè)頭熱電偶為銅-銅鎳（康銅）。敏感體主要由聚酰亞胺基板、銅-康銅熱電偶、引線、熱沉構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。敏感體通過(guò)絕緣接線板轉(zhuǎn)接后由導(dǎo)線引出，與要求尺寸的法蘭盤配合，共同構(gòu)成了整個(gè)熱流傳感器。當(dāng)對(duì)穩(wěn)定工作時(shí)間由較高要求時(shí)，敏感體的熱沉部分可以設(shè)計(jì)為水冷結(jié)構(gòu)，此時(shí)熱流傳感器可以在循環(huán)水量充分的條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，水冷結(jié)構(gòu)多用于民用領(lǐng)域[3]。傳感器尺寸視安裝環(huán)境有所不同，當(dāng)安裝結(jié)構(gòu)體為熱良導(dǎo)體，且與傳感器外殼緊密接觸時(shí)，尺寸可大大減小。

圖1熱電堆式熱流測(cè)頭示意圖

圖2敏感體結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)有對(duì)流或者輻射熱流q通過(guò)敏感體表面時(shí)，其熱量可以近似看成沿著垂直于敏感體表面呈一維梯度分布，熱量傳遞到質(zhì)量和熱容量較大的熱沉體中或者被水冷循環(huán)帶走，則基板B面溫度基本保持穩(wěn)定，在基板的A面和B面之間沿著熱量傳遞方向形成溫度梯度，2個(gè)面的熱電偶形成溫度差，產(chǎn)生電壓信號(hào)，信號(hào)的大小與所測(cè)熱流值相關(guān)。由于熱沉和熱電堆均為金屬導(dǎo)體，需要進(jìn)行特殊的絕緣處理，A面須涂覆黑色輻射涂料，防止熱電偶高溫氧化，影響輸出精度。

4 試驗(yàn)分析

本研究采用環(huán)氧玻璃布層板作為絕緣基板，基板上繞制不同匝數(shù)的康銅絲，其中一半尺寸的康銅絲被電鍍上均勻厚度的銅材料，作為熱電堆。由公式（3）可知，當(dāng)熱流密度一定時(shí)，傳感器的理論輸出電壓信號(hào)大小與熱電偶對(duì)數(shù)呈正比，本文主要對(duì)熱流傳感器輸出穩(wěn)定性、線性度以及熱電偶對(duì)數(shù)對(duì)輸出電壓大小的影響進(jìn)行了具體研究。

熱電堆具體參數(shù)如下：基板尺寸：28mm×5mm×0.8mm；熱電偶材料：銅-康銅；熱電偶對(duì)數(shù)：1#：103對(duì)，2#：74對(duì)，3#：41對(duì)。傳感器紫銅熱沉體尺寸為：φ34mm×20mm。

檢定時(shí)輻射源采用JRNO黑體爐，標(biāo)準(zhǔn)采用進(jìn)口2W/cm2熱流計(jì)，KEITHLEY 2700進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別對(duì)3只熱流傳感器進(jìn)行了檢定。

圖3～5所示分別為熱流密度為0.73W/cm2時(shí)3只傳感器的輸出信號(hào)曲線，每只傳感器進(jìn)行了10min的穩(wěn)定試驗(yàn)測(cè)試。由輸出數(shù)據(jù)以及波形可得知，傳感器的響應(yīng)時(shí)間大致為2s，10min之內(nèi)熱流傳感器可以獲得穩(wěn)定輸出，即熱沉體溫升對(duì)輸出影響不大。另外，輸出波形在5%內(nèi)波動(dòng)，是由于黑體爐輸出熱流不穩(wěn)定以及外界環(huán)境變化的影響造成的。

圖3 1#穩(wěn)定輸出波形

圖4 2#穩(wěn)定輸出波形

圖5 3#穩(wěn)定輸出波形

圖6為2#傳感器線性輸出波形。通過(guò)改變黑體爐的設(shè)定溫度來(lái)改變腔口處的熱流密度值，共采集7個(gè)不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)輸出和傳感器輸出，分別對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)求平均值得到不同熱流密度所對(duì)應(yīng)的傳感器輸出。由輸出數(shù)據(jù)計(jì)算可知，傳感器的線性誤差最大為3.17%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要應(yīng)對(duì)國(guó)防工程應(yīng)用中對(duì)小熱流密度參數(shù)獲取的需求，利用軸向?qū)嵩碓O(shè)計(jì)了一種小熱流傳感器，并圍繞著線性度、穩(wěn)定性以及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)等對(duì)樣品進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，該小熱流傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定，測(cè)量精度與線性度滿足各項(xiàng)參數(shù)需求。