銅塞式熱流傳感器測量精度影響因素的分析研究

張奇 王新華

摘要：銅塞式熱流傳感器在諸多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，本文以銅塞式熱流傳感器測量原理為基礎(chǔ)，研究了本體材料熱物性、本體軸向長度等因素對熱流測量結(jié)果的影響，為后續(xù)改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)。

Abstract： Copper plug-type heat flux sensor has been applied in widespread fields. Based on the measurement principle of the copper plug heat flux sensor， this paper has researched the thermophysical properties of main body， axial length of main body， etc. And paper also provided theoretical direction for future structure improvement.

關(guān)鍵詞：銅塞式;熱流傳感器;測量

Key words： copper plug-type;heat flux sensor;measurement

中圖分類號：TK31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0025-03

0? 引言

隨著航天航空、船舶、兵器等行業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，有很多關(guān)鍵的參數(shù)測量精度要求日益提高。其中，因高速氣動加熱、高溫應(yīng)用環(huán)境等因素造成設(shè)備表面局部溫度急劇升高，對超高溫、寬量程的熱流測量需求日益凸顯[1]。銅塞式熱流傳感器作為應(yīng)用場景較廣的熱流測量設(shè)備，具有測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、使用便捷等特點(diǎn)[2]。

本文針對銅塞式熱流傳感器在熱流測量過程中多個(gè)影響測量精度的因素進(jìn)行仿真計(jì)算和分析研究，為后續(xù)銅塞式熱流傳感器結(jié)構(gòu)提升改進(jìn)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1? 銅塞式熱流傳感器測量原理

銅塞式熱流傳感器是非接觸式、瞬態(tài)輻射熱流測量儀器，該傳感器主要由傳感器本體銅制塞塊、隔熱套及基體三部分組成，常用于電弧加熱設(shè)備試驗(yàn)的熱流測量。環(huán)形隔熱套用阻隔塞塊與基體之間的導(dǎo)熱，使得塞塊側(cè)表面近似保持為絕熱壁面。熱電偶布置于傳感器體下端面中心位置處，用于測量傳感器在瞬態(tài)熱交換過程中的溫度變化率。

其中：q為熱流，單位W/m2;ρ為密度，單位為kg/m3;Cp為比熱容，單位為W/（kg·K）;δ為塞塊高度，單位為m;T為溫度，單位為K;t 為時(shí)間，單位為s。

由公式（1）分析可知，影響熱流測量精度的主要因素包括塞塊材料的密度、比熱、軸向長度及溫度的測量誤差。溫度的測量誤差主要取決于所選用熱電偶的測量精度和焊接工藝。密度和比熱引起的測量誤差與所用的物性參數(shù)相關(guān)。

傳感器本體材料銅上端面接受熱流輻射后，溫度急劇升高，當(dāng)達(dá)到銅的熔點(diǎn)開始融化后，傳感器熱流傳遞不符合公式（1）的測量原理，繼續(xù)使用公式（1）計(jì)算測量結(jié)果將帶來巨大誤差。

2?; 測量精度影響因素仿真分析

圖2為銅塞式熱流傳感器模型幾何尺寸的示意圖。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用傳感器材料與尺寸，確定仿真中下列幾何尺寸均保持不變：基體直徑a=100mm，基體材料軸向長度b=20mm，傳感器下端面與空氣接觸面直徑e=2mm。傳感器本體材料為銅，隔熱套材料為高硅氧。

通過ANSYS熱力學(xué)仿真軟件，分析研究傳感器本體材料物性變化 （仿真組號A）、本體軸向長度變化（c=6mm、10mm，仿真組號B） 、基體材料變化（銅、高硅氧、不銹鋼，仿真組號 C） 、隔熱套厚度變化 （f=1mm、2mm，仿真組號D）、本體直徑變化（d=3mm、4mm、9mm，仿真組號E）對傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度及其溫度變化率的影響，如表1所示。

2.1 本體材料物性的影響

給定傳感器上端面恒定熱流q=3MW/m2，基體材料選取低碳鋼，本體材料銅選取定物性和變物性條件時(shí)傳感器A1、A2工況本體下端面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示?？紤]物性變化時(shí)，隨著溫度的升高，銅的比熱隨之增加，導(dǎo)熱系數(shù)隨之減小，熱擴(kuò)散系數(shù)也隨之減小。因此，傳感器A2本體下端面中心點(diǎn)溫度在考慮變物性條件時(shí)較傳感器A1低。分析傳感器（A1、A2）本體下端面中心點(diǎn)溫度變化率隨時(shí)間的變化情況，由圖2可知，相對而言傳感器 A1本體下端面中心點(diǎn)溫度變化率大于傳感器A2。由仿真結(jié)果可知，傳感器 A1和 A2工況本體下端面中心點(diǎn)溫度變化率最大值分別為139℃/s和126℃/s，是否考慮本體材料變物性條件造成相對偏差率達(dá)到9.3%。

因此，本體、基體材料物性變化對傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度變化率最大值有所影響，且影響不可忽略不計(jì)，同時(shí)，考慮物性變化時(shí)溫度變化率最大值更接近理論計(jì)算值。

2.2 本體軸向長度的影響

給定傳感器上端面恒定熱流q=3MW/m2，基體材料選取低碳鋼，傳感器本體軸向長度選擇為6mm和10mm，圖4為傳感器本體軸向長度不同（c=6mm、10mm）時(shí)傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可知，隨著傳感器本體軸向長度的增加，傳感器本體、隔熱套軸向尺寸增大，下端面中心點(diǎn)的溫度隨之降低，其原因在于傳感器本體的熱阻、熱容均隨之增加，熱容量也隨之增大，傳感器本體、隔熱套的側(cè)表面溫度減小。熱流傳感器本體軸向長度為6mm、10mm時(shí)，溫度變化率最大值分別為110.6℃/s和69.6℃/s，綜合考慮軸向長度變化因素后，改變本體軸向長度造成的相對偏差率達(dá)到4.9%，因此實(shí)際工程測量中應(yīng)針對不同本體軸向長度進(jìn)行熱流測量誤差修正。

2.3 基體材料物性的影響

為基體材料變化時(shí)銅塞式熱流傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，傳感器C1（基體材料低碳鋼）和傳感器C3（基體材料銅）本體下端面中心點(diǎn)溫度變化曲線較為接近，在t=7.2s時(shí)傳感器C1與傳感器C3下端面溫度相差4.16℃，溫度變化率最大值分別為69.6℃/s和68.6℃/s;傳感器C2（基體材料高硅氧）本體下端面中心點(diǎn)的溫度變化曲線與傳感器C1、C3差別相對較大，最大溫差高達(dá)36.61℃。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，銅塞式熱流傳感器測量工作時(shí)間不超過3s，綜合考慮不同基體材料在t=3s時(shí)的溫度變化率，相對最大偏差不超過1℃/s，因此可以近似認(rèn)為改變基體材料對傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度變化率最大值基本無影響。

2.4 隔熱套厚度的影響

圖6為隔熱套厚度變化時(shí)傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可知，隨著隔熱套厚度增加為f=2mm，傳感器本體下端面中心點(diǎn)的溫度高于傳感器 D1（f=1mm）。隔熱套為2mm厚時(shí)，最大溫度變化率為87℃/s，由公式得到測量熱流密度為2.992MW;當(dāng)隔熱套厚度選擇為1mm時(shí)，最大溫度變化率為69.6℃/s，對應(yīng)熱流密度為2.394MW。由此可得：隔熱套厚度變化對傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度變化率最大值有所影響，隔熱套厚度增大時(shí)該值更接近理論值。

2.5 本體直徑的影響

圖7為傳感器本體直徑變化時(shí)傳感器本體下端面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖7可知，隨著傳感器本體直徑的增加，本體下端面中心點(diǎn)溫度變化曲線幾乎不受影響。本體直徑為3mm、4mm、9mm時(shí)，最大溫度變化率對應(yīng)110.6℃/s、111.0℃/s、114.4℃/s。增加傳感器本體直徑，熱流沿徑向傳遞時(shí)熱阻增加，沿徑向熱量耗散減少，導(dǎo)致下端面中心點(diǎn)最大溫度變化率增大。當(dāng)傳感器本體直徑在3～9mm變化時(shí)，最大溫度變化率偏差不超過3.3%，可以認(rèn)為改變傳感器本體直徑對熱流測量準(zhǔn)確度幾乎沒有影響。

3? 結(jié)論

本文通過對銅塞式熱流傳感器數(shù)值仿真建模，選取以傳感器本體下端面中心點(diǎn)的溫度變化率最大值為評價(jià)指標(biāo)，分析了影響測量精度的多個(gè)因素，可以得出：考慮本體材料物性變化時(shí)仿真結(jié)果更接近理論值;增大傳感器軸向尺寸更接近理論值;基體材料材料選取和物性變化對熱流測量結(jié)果基本無影響;隔熱套厚度增加時(shí)有利于獲得更準(zhǔn)確的測量結(jié)果;有限范圍增加本體直徑將不會影響熱流測量結(jié)果。通過本次仿真分析研究為后續(xù)設(shè)計(jì)、改進(jìn)銅塞式熱流傳感器結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

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