CN101571428B - 测量热流和温度的传感器及高温下测量热流与温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能传感器及高温下测量热流与温度的方法，其中多功能传感器包括外壳和热流测头，外壳上设置热流测头，热流测头包括热流探头和热沉，热沉与热流探头相连容置在外壳内部与热流探头组成热电偶，所述外壳内还设置有用于冷却热流测头的冷却装置和用于测量热沉温度的另一热电偶，两热电偶与检测仪相连，通过测量出两热电偶的电压信号实现热流和温度的检测。本发明公开的测量方法通过测量低温的温度，建立数学模型推导得出高温处的所测温度。本发明的多功能热传感器能够在高温环境下测量热流和温度，弥补了原有热电偶在2000K以上高温环境下无法测量温度的问题，既能够测量出热流，又能够保证热电偶在高温环境下可以正常工作，有效测量温度。

Description

测量热流和温度的传感器及高温下测量热流与温度的方法 

技术领域

本发明涉及一种壁面热流与温度同时测量的装置及方法。 

背景技术

目前热流测量的方法主要有薄膜热电偶、Smith型热流传感器等。薄膜热电偶响应时间短，适合测量瞬时热传导过程，但是它所能测量的温度范围有限，高温时容易烧坏。Smith型热流传感器信号较强，能够耐高温，但是响应时间较长，并且制作工艺复杂，需要在陶瓷板上镀铜和康铜电路，设备比较昂贵。温度测量通常用的是热电偶，但是热电偶的工作温度范围通常在1300K以下，在更高温度的环境中，热电偶是无法生存的。对于高超声速飞机的超燃冲压发动机来说，燃烧室气流环境十分恶劣，温度通常在2000K以上，热流达到1MW/m²，在此环境下热电偶很容易损坏，无法测量壁面热流与温度。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种耐高温、能够同时测量热流与温度的传感器。 

本发明的另一目的在于提供一种高温环境下测量热流与温度的方 法。 

本发明的多功能传感器，包括外壳和热流测头，外壳上设置热流测头，热流测头包括热流探头和热沉，热流探头设置在外壳外部，热沉与热流探头相连容置在外壳内部与热流探头组成热电偶，所述外壳内还设置有用于冷却热流测头的冷却装置和用于测量热沉温度的另一热电偶，两热电偶与检测仪相连，通过测量出两热电偶的电压信号实现热流和温度的检测。 

进一步，所述热流探头为康铜片，所述热沉为截面为环形的铜柱体，康铜片的边缘与铜热沉的环形端面焊接，康铜片的中心引出一根铜导线，铜柱体上引出另一根铜导线，所述检测仪连接在两根铜导线之间。 

进一步，所述热流探头与热沉材料为镍铬-镍硅或铂铑13-铂或铂铑10-铂或铂铑30-铂铑6能够组成热电偶的材料。 

进一步，所述热沉装配在所述外壳内设置的基体上，基体与外壳焊接，所述冷却装置为基体与外壳之间设置的水槽，所述另一热电偶设置在基体上或者热沉上。 

进一步，所述水槽内容置冷却水管，冷却水管一端焊接在所述基体上，另一端设置的转接头与供水装置相连。 

进一步，所述热流探头顶部设置有隔热陶瓷，隔热陶瓷与热流探头的接触面上涂抹导热硅脂。 

本发明的高温环境下测量热流与温度的方法：包括以下步骤：1)采用上述装置测量热流探头与热沉组成的热电偶的电压信号，通过公 式 $\frac{E}{q}=4.37\×{10}^{-4}\·\frac{R^2}{S},$ 可得热流，其中E为电压、q为热流、R为热流探头的半径、S为热流探头的厚度；2)测量导热元件热沉处的低温区温度通过热传导公式T_h-T_l＝ΔT， $\mathrm{\ΔT}={\mathrm{\ΔT}}_1+{\mathrm{\ΔT}}_2=q\·\frac{l_1}{k_1{A}_1}+q\·\frac{1}{2\mathrm{\π}{d}_2{k}_2}$ 得到热流探头高温区的温度，其中T_h为热流探头的温度，T_l为基体或者热沉温度，ΔT₁为隔热陶瓷两端的温度差，ΔT₂为热流探头中心与边缘处的温差，q为热流探头处的热流，R₁为隔热陶瓷的热阻，R₂为热流探头的热阻，l₁为隔热陶瓷的厚度，k₁为热流探头的导热系数，A₁为热流探头截面面积，d₂为热流探头的厚度，k₂为热流探头的导热系数。 

本发明的多功能热传感器能够在高温环境下测量热流和温度，弥补了原有热电偶在2000K以上高温环境下无法测量温度的问题，既能够测量出热流，又能够保证热电偶在高温环境下可以正常工作，有效测量温度。本发明可用于超燃冲压发动机燃烧室内壁面热流与壁面温度的测量，冶金、锅炉等行业加热炉内壁面的热流与温度的测量以及各种小功率加热设备的热流、温度测量等。 

附图说明

图1为本发明的热流探头的结构示意图； 

图2为本发明多功能传感器的主视图； 

图3为本发明多功能传感器的俯视图； 

图4为本发明多功能传感器的热流、温度测量说明图； 

图5a为康铜片与铜热沉连接方式示意图； 

图5b为康铜片锻压在铜热沉上构成的本发明的热流探头的示意图； 

图6为实验测得热流-温度响应曲线； 

图7为处理得到的热流-温差关系曲线； 

图8a为冷却槽道沿周向的展开图； 

图8b为为冷却槽道示意图。 

具体实施方式

如图1和2所示，本发明的多功能传感器，包括不锈钢外壳3，不锈钢外壳3上设置热流测头，热流测头包括设置在不锈钢外壳3外部的康铜片2和设置在不锈钢外壳3内的铜热沉4，如图5a所示，康铜片2压制成帽状，扣紧在铜热沉4的边缘再用铜圈11箍紧，得到如图5b所示的热流测头，康铜片2和铜热沉4相连构成铜-康铜热电偶，康铜片2的中心焊接一根铜导线10，并保证铜导线10垂直于康铜片2，且和康铜片2中心为点接触，焊点接触良好，强度足够。铜导线10穿过铜热沉4的中心孔，铜热沉4安装到铜基体6上，在铜基体6尾部安装一枚M4的铜螺丝8，铜螺丝8中心钻一个Φ2的通孔，使得中心铜导线10能够从孔中接出来，中心铜导线10为热流传感器的正极。从铜螺丝8根部引出另一根铜导线，作为热流传感器的负极。 

另外，用于测量热流的铜-康铜热电偶，可以使用其它任何能够组成热电偶的材料，例如镍铬-镍硅、铂铑13-铂、铂铑10-铂、铂铑30-铂铑6等。 

本发明的多功能传感器热流测量原理如下：均匀热流垂直于康铜片入射时，由于康铜片非常薄，前后端面的温度差基本上可以忽略，采用一维热传导理论进行分析，热流在康铜片内部由中心向边缘流动，这样使得中心处和边缘处产生了一个温度差；中心处和边缘处分别为一个铜-康铜热电偶，这样就构成了一对温差热电偶，当康铜片中心和边缘产生温度差时，就能在两级之间差生电势差。因此，通过测量这个电势差，就能够得到康铜片表面的热流值。Gardon在他的文献里推导出的热流计的电压-热流关系如下： $\frac{E}{q}=4.37\×{10}^{-4}\·\frac{R^2}{S}$ ① 

其中，E为电压，q为热流，R为康铜片的半径，S为厚度，均采用国际单位制。由①式可以看出，热流计的输出电压E与待测热流q成线性关系，而且线性系数只与康铜片的尺寸有关。 

经过理论分析，在一定的温度范围内(300K～800K之间)，Gardon热流计的线性度非常好。因此，只要保证Gardon热流计的工作环境温度在允许的范围内，就能够测量出热流的准确值。 

Gardon热流计的响应时间关系式为： 

τ₀＝3.7R²            ② 

其中，τ₀为时间特征常数，R为康铜片的半径。由②式可以看出，Gardon热流计的响应时间与康铜片半径的平方成正比。通常情况下，半径越小，响应时间越短；但是，根据①式，热流计的输出信号强度又与半径的平方成正比，半径越大，信号越强。因此，为了达到优化设计的目的，在保证热流计具有一定的信号强度及制作工艺允许的情 况下，应该尽可能的减小康铜片的半径。 

如图8a和8b所示，在铜基体6上铣出2mm×2mm的矩形槽，作为冷却水槽道。将铜基体6与外壳3焊接，焊接工艺为银焊，尾部焊接两根直径3mm的冷却水管9，保证密封。在冷却水管9端部安装转接头，以便与6mm的塑料冷却水管相连，向冷却水管9中注水。从康铜片2中心处引出的铜导线和铜螺丝根部引出的铜导线固定于冷却水管9上，防止松断。 

如图1所示，为了防止高温时康铜片2被烧蚀，康铜片2的迎流面上设置有氮化硼隔热陶瓷1，氮化硼隔热陶瓷1与康铜片2的接触面上涂抹导热硅脂，起提高导热速率作用，还能起到一定的固定作用。采用陶瓷的目的是起到绝缘作用，这里使用氮化硼可加工陶瓷，它的硬度小，能够进行机械加工，导热系数高，所以热传导的响应时间短。 

如图2所示，本发明的多功能传感器的铜基体6内部还设置有容置K型热电偶的热电偶孔7，用于测量冷却的铜基体6的温度，另外热电偶孔7也可以设置在铜热沉4内，K型热电偶放置在铜热沉4内用于测量铜热沉4的温度。通过测量铜基体6或者铜热沉4的低温，反推出康铜片2处的高温，如此可以保证K型热电偶不会在高温下损坏。 

本发明的多功能传感器温度测量原理如下： 

温度测量是根据傅里叶一维导热定律。头部高温区的热流经过氮化硼隔热陶瓷与康铜片到达热流传感器基体，热传导公式如下： 

T_h-T_l＝ΔT    ③ 

$\mathrm{\ΔT}={\mathrm{\ΔT}}_1+{\mathrm{\ΔT}}_2=q{R}_1+q{R}_2=q\·\frac{l_1}{k_1{A}_1}+q\·\frac{1}{2\mathrm{\π}{d}_2{k}_2}$ ④ 

③、④两式中，T_h为传感器头部高温，T_l为铜基体6低温，ΔT₁为隔热氮化硼陶瓷1两端的温度差，ΔT₂为康铜片2中心与边缘处的温差，q为热流测头的头部热流，R₁为隔热陶瓷1的热阻，R₂为康铜片2的热阻，l₁为隔热陶瓷1的厚度，k₁为隔热陶瓷1的导热系数，A₁为隔热陶瓷1的面积，d₂为康铜片2的厚度，k₂为康铜片2的导热系数。由于R₁、R₂的组成参数都可以查阅物性参数得出，可视为已知，因此可以根据测量热流q与基体温度T_l来反推头部温度T_h。 

热流测头头部热阻匹配计算，目的是确定Gardon热流测头的头部尺寸以及氮化硼隔热陶瓷1的半径和厚度。设轴向热阻为R₁，径向热阻为R₂，为了保证水冷效果对热流信号造成的影响尽量小，应当让两个方向的热阻尽可能相同。轴向热阻和径向热阻的计算公式分别如下： 

$R_1=R_1^{\′}+R_1^{\′\′}=\frac{l_1^{\′}}{{k_1^{\′}A}_1^{\′}}+\frac{1}{2\mathrm{\π}{S}_1^{\′\′}{k}_1^{\′\′}}$ ⑤ 

$R_2=R_2^{\′}+R_2^{\′\′}+R_2^{\′\′\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{S}_2^{\′}{k}_2^{\′}}+\frac{l_2^{\′\′}}{k_2^{\′\′}{A}_2^{\′\′}}+\frac{l_2^{\′\′\′}}{k_2^{\′\′\′}{A}_2^{\′\′\′}}$ ⑥ 

③④两式中：R₁′为氮化硼陶瓷1的热阻，R₁″为康铜片2的热阻，R₂′为不锈钢外壳3的头部圆心处热阻，R₂″与R₂′″均为不锈钢外壳3的部分热阻，其他参数分别为这些结构热阻的物性参数，可以通过查表得出。 

带入数值优化计算，最终确定各个部件结构尺寸为：康铜片2半径为6mm，隔热陶瓷半径为6mm，厚度为2mm。 

如图6和7所示，标定热流温差关系曲线。将热流传感器头部与高温铜块紧密接触，同时测量头部、热流、冷却基体温度，然后将热流与温差绘制成曲线，可以看到热流-温差关系基本上成线性关系。图6为记录的热流q，温度T₁、T₂的随时间的相应曲线，图7为热流q与温度差ΔT＝T₁-T₂之间的关系曲线。关系表达式如下： 

q＝C(T₁-T₂)         ⑦ 

曲线的斜率就是标定系数C，推导后得到： 

$T_1=T_2+\frac{q}{C}$ ⑧ 

因此可以根据这个关系式，再对系数C进行标定之后，就能够通过同时测量铜基体或者铜热沉温度与热流来推导头部温度。 

热流信号由铜导线10输出，信号强度为毫伏量级。热电偶孔7中的热电偶输出的也是毫伏量级的电压信号。因此本发明的多功能传感器还应该配有两个毫伏检测仪，例如万用表、信号采集仪表等。 

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求的保护范围。 

Claims (6)

1.一种测量热流和温度的传感器，其特征在于，包括外壳和热流测头，外壳上设置热流测头，热流测头包括热流探头和热沉，热流探头设置在外壳外部，热沉与热流探头相连容置在外壳内部与热流探头组成热电偶，所述外壳内还设置有用于冷却热流测头的冷却装置和用于测量热沉温度的另一热电偶，所述热沉装配在所述外壳内设置的基体上，基体与外壳焊接，所述冷却装置为基体与外壳之间设置的水槽，所述另一热电偶设置在基体上或者热沉上，两热电偶与检测仪相连，通过测量出两热电偶的电压信号实现热流和温度的检测。

2.如权利要求1所述的测量热流和温度的传感器，其特征在于，所述热流探头为康铜片，所述热沉为截面为环形的铜柱体，康铜片的边缘与铜热沉的环形端面焊接，康铜片的中心引出一根铜导线，铜柱体上引出另一根铜导线，所述检测仪连接在两根铜导线之间。

3.如权利要求2所述的测量热流和温度的传感器，其特征在于，所述热流探头与热沉的材料为镍铬-镍硅或铂铑13-铂或铂铑10-铂或铂铑30-铂铑6能够组成热电偶的材料。

4.如权利要求1所述的测量热流和温度的传感器，其特征在于，所述水槽内容置冷却水管，冷却水管一端焊接在所述基体上，另一端设置的转接头与供水装置相连。

5.如权利要求1所述的测量热流和温度的传感器，其特征在于，所述热流探头顶部设置有隔热陶瓷，隔热陶瓷与热流探头的接触面上涂抹导热硅脂。

6.一种如权利要求5所述的传感器高温环境下测量热流与温度的方法：包括以下步骤：1)采用上述装置测量热流探头与热沉组成的热电偶的电压信号，通过公式可得热流，其中E为电压、q为热流、R为热流探头的半径、S为热流探头的厚度；2)测量导热元件热沉处的低温区温度，通过热传导公式T_h-T_l＝ΔT，

得到热流探头高温区的温度，其中T_h为热流探头的温度，T_l为基体或者热沉温度，ΔT₁为隔热陶瓷两端的温度差，ΔT₂为热流探头中心与边缘处的温差，q为热流探头处的热流，R₁为隔热陶瓷的热阻，R₂为热流探头的热阻，l₁为隔热陶瓷的厚度，k₁为热流探头的导热系数，A₁为热流探头截面面积，d₂为热流探头的厚度，k₂为热流探头的导热系数。

Images