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CN118696218A - 用于测量惯性热通量的系统的传感器 - Google Patents

用于测量惯性热通量的系统的传感器 Download PDF

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CN118696218A
CN118696218A CN202380022084.6A CN202380022084A CN118696218A CN 118696218 A CN118696218 A CN 118696218A CN 202380022084 A CN202380022084 A CN 202380022084A CN 118696218 A CN118696218 A CN 118696218A
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calorimetric
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wire
calorimetric element
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尼古拉·佩尔蒂埃
克里斯托夫·科拉托
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National Institute Of Aeronautics And Astronautics
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Abstract

根据一个方面，本发明涉及一种用于对惯性热通量进行测量的系统的传感器(200)，该传感器包括：固体型量热元件(201)，其具有大于或等于约100W/(m.K)的热导率和大于或等于约105S/m的电导率；热绝缘元件(202)，其部分覆盖所述量热元件(201)，以限定出未被量热元件覆盖的第一平面部分以及量热元件(201)的与所述热通量热绝缘的第二部分，所述第一平面部分被配置成暴露于前部面(203)中所含的热通量；以及两个线基传导元件(207a、207b)，其穿过所述量热元件(201)并且被布置成彼此不机械接触，而是两个线基传导元件(207a、207b)经由所述量热元件(201)电接触，这两个线基传导元件(207a、207b)由两种不同的热电材料制成。

Description

用于测量惯性热通量的系统的传感器
技术领域
本说明书涉及用于惯性热通量测量系统的传感器、包括所述传感器的系统、以及用于通过所述系统测量热通量的方法。
背景技术
热通量测量在许多领域都有应用。例如，在微电子领域，准确测量耗散的热通量允许优化包括半导体的器件的架构并提高其能源效率。
在水力学领域，包括湍流、超临界流体流或诸如沸腾等相变的复杂过程可以通过对作用中的热通量的表征来优化其运行。这也允许以标准方式纠正所使用的模型，这些模型不太适合复杂的过程。
在航空航天领域，诸如涡轮机械或火箭发动机的燃烧室、大气再入体或甚至发射器的发射场等结构会经受强烈的热通量。因此，通常必需准确了解所述热通量，以估量结构的热机械强度并避免任何故障。
在能源生产和转换过程(化学、钢铁工业、流化床等)领域，工厂的操作点与稳定的热平衡的定义密切相关，这需要对作用中的热通量进行连续控制。
热通量的测量通常是间接地基于对通量以外的量、特别是经受要测量的热通量的元件的温度的测量来进行的。该元件可以是更大系统的一部分，例如反应器的金属壁或填充材料。
在用于执行对热通量的间接测量的传感器中，特别地已知的是使用焓通量计，该焓通量计的原理是基于对在整个通量计的本体内循环的液体的温度的上升的测量。
在给定的流量下的测量的温度上升允许了解液体吸收的热功率并获得所需的热通量。一般来说，这些设备给出的结果不准确。
还已知使用Gardon计量表、Schmidt-Boelter计量表和热电堆，它们通过对计量表中包含的固体介质中的温度差进行测量来间接测量热通量。优选地，使用这种类型的传感器来测量辐射热通量，即由电磁辐射产生的热通量，并且在测量对流或混合热通量时已证明了其局限性。
另一个间接测量热通量的出色设备的示例是惯性通量计，其中当参考元件(所谓的量热元件)暴露于热通量时，通过对该量热元件的温度的上升进行测量来确定热通量。
图1示出了例如由WO02/18890A2[参考文献1]或JAYAPRAKASH,C.等人[参考文献2]公开的现有技术的惯性通量计。这种惯性通量计通常包括量热元件101和部分包裹所述量热元件101的绝缘元件102。量热元件101的未被绝缘元件102覆盖的面(即所谓的前部面103)被配置成接收热通量。通量计还包括热电偶107，该热电偶107用于确定经受热通量的量热元件101的温度。热电偶107包括由具有不同塞贝克系数的两种传导材料构成的两个线基元件107a、107b，所述两个线基元件107a、107b连接在一个单一的热接点104处，在该热接点处测量量热元件101的温度。热接点104与磁通计的与前部面103相反的面(即所谓的后部面106)接触。
已知在两个线基元件107a、107b之间会出现电位差，该电位差基本上与热接点104处的温度与通常位于线基元件107a、107b的端部处的两个冷接点处的参考温度之间存在的温度差成比例，这种电位差的出现就是所谓的塞贝克效应。
因此，通过利用测量单元140测量所述电位差，可以推断出后部面106的温度随时间的增加。因此，根据所述温度上升，处理单元150可以使用热力学理论和量热元件101的已知特性(如质量和恒压热容量)来计算热通量。
然而，热通量Φ的计算是基于薄量热元件101的假设，以便后部面106上的温度测量可以被认为基本等于前部面103上的温度测量。
已公布的专利申请FR 2 706 610[参考文献3]也描述了一种用于热通量测量系统的传感器；[参考文献3]中描述的传感器包括两个传导体，这两个传导体形成热电偶并被紧固在由传导材料制成并且具有减小的厚度(通常小于十分之一mm)的片材后部面的不同点处。
因此，[参考文献1]、[参考文献2]或[参考文献3]中描述的装置不允许准确确定强热通量，即高于或等于几MW/m2的热通量。
事实上，在存在高热通量的情况下，量热元件101应该足够坚固，以免在测量周期期间熔化，这通常通过增加量热元件101的尺寸来解决。
然而，量热元件101的尺寸的增加导致暴露于热通量的前部面103与进行温度测量的后部面106之间的距离增加。因此，薄量热元件101的假设通常不再满足，并且温度测量的准确性以及根据所述温度计算出的热通量的准确性大大降低。
因此，需要用于惯性热通量测量系统的传感器，该传感器使得能够准确测量高热通量，例如高于或等于几MW/m2的热通量。
发明内容
在本说明书中，术语“包括”与“包含”或“含有”含义相同，并且是包容性的或开放的，并且不排除未描述或未说明的其他要素。
此外，在本说明书中，术语“约”或“基本上”与相应值的10％(例如5％)的下限和/或上限同义(具有相同的含义)。
根据第一方面，本说明书涉及一种用于惯性热通量测量系统的传感器，该传感器包括：
-固体型量热元件，所述量热元件具有给定长度，所述量热元件包括前部面和与前部面相反的后部面，所述量热元件具有高于或等于约100W/(m.K)的热导率、优选地，所述量热元件具有高于或等于约300W/(m.K)的热导率，所述量热元件具有高于或等于约105S/m的电导率、优选地，所述量热元件具有高于或等于约107S/m的电导率；
-热绝缘元件，所述热绝缘元件部分地覆盖所述量热元件，以限定出未被量热元件覆盖的第一部分和被量热元件覆盖的第二部分，该第一部分基本上上是平面的，并且该第一部分被配置成暴露于要测量的热通量并且形成所述前部面的一部分，该第二部分与所述热通量热绝缘；以及
-两个线基传导元件，两个线基传导元件从后部面至少部分地穿过所述量热元件，并且两个线基传导元件被布置成彼此不机械接触，而是两个线基传导元件在量热元件的长度的至少一部分上经由所述量热元件电接触，两个线基传导元件由两种不同的热电材料制成。
在本说明书中，热电材料是电导率随温度而变化的材料。特别地，这种材料具有将热能转化为电能的能力，所述能力通过塞贝克系数来量化。
在本说明书中，两种不同的材料是具有不同化学组成、有利的是具有不同的塞贝克系数的材料。大多数材料的塞贝克系数都是已知的，本领域技术人员可以通过参考表来得到。此外，塞贝克系数的测量可以通过现有技术中已知的方法来执行，这些方法包括以下方法，该方法包括：当由待表征材料制成的元件和用作参考的元件(例如铂)发生机械接触并经受已知温度时，测量这两个元件之间出现的电位差。
申请人已经证明，根据第一方面的传感器中所述的两种热电材料的原始布置允许比现有技术更准确地测量热通量，特别是当热通量高于或等于几MW/m2时。
根据说明书的一个或更多个示例，有利的是，使用两种具有塞贝克系数的热电材料，所述塞贝克系数之间的差的绝对值高于或等于约5μV/K，以便能够利用根据本说明书的传感器来测量量热元件的温度。特别地，使用两种具有塞贝克系数(所述塞贝克系数之间的差的绝对值高于或等于约5μV/K)的热电材料允许获得具有足够分辨率的传感器来测量量热元件的温度。
在本说明书中，量热元件的长度是根据基本上垂直于暴露于热通量的第一部分的方向在前部面和后部面之间定义的。
在量热元件的所述第一部分处测得的以W/m2表示的热通量是在给定时间点由该时间点处的传感器外部环境温度与该时间点处的量热元件的第一部分的温度之间的温度差引起的。由于该热通量，量热元件的温度随时间上升。
一般来说，热通量包括辐射贡献(也称为辐射通量)和/或对流贡献(也称为对流通量)。
辐射通量是由于传感器外部环境和暴露于热通量的第一部分之间的电磁辐射引起的。对流流动是由于第一部分处传感器外部环境中的材料移动引起的。
申请人已证明，在根据本说明书的传感器中，至少部分地穿过量热元件的两个线基传导元件允许在给定时间点执行对量热元件的平均温度的测量，其中所述平均温度是在量热元件的被所述两个线基传导元件穿过的部分上平均的温度。与现有技术的惯性热通量传感器相比，这提高了量热元件温度测量的准确性。
因此，根据本说明书的传感器的线基元件的穿过布置有利地允许例如克服由于量热元件的被两个线基传导元件穿过的所述部分的不同区域之间存在温度梯度而导致的量热计的温度测量不确定性。
特别地，根据第一方面的传感器解决了现有技术的惯性热通量传感器、特别是在后部面处具有热电偶的惯性热通量传感器的一些缺点，其中热电偶只能在后部面上的量热元件的一个点处测量量热元件的温度，并且其中因此只有厚度较小的量热元件才满足薄量热元件的假设，这限制了在高热通量下的使用。
根据一个或更多个示例，量热元件的在与前部面基本正交的方向上定义的长度严格大于0.1mm、有利地长于或等于约1mm、有利地长于或等于约2mm。一般来说，长度可以被选择得足够长，以便在传感器经受高热通量时具有良好的耐热性，并且足够小以满足热薄量热元件的假设。
根据一个或更多个示例，所述两个线基传导元件在量热元件的至少约30％、优选50％、甚至更优选90％的长度上穿过量热元件。
根据一个或更多个示例，所述两个线基传导元件穿过整个量热元件，以使所述两个线基传导元件与量热元件的暴露于热通量的第一部分齐平。
根据一个或几个示例，所述两个线基传导元件布置成基本上平行。
根据一个或几个示例，所述量热元件具有圆柱形形状、圆锥形形状、或圆柱形-圆锥形形状，并且所述量热元件包括旋转轴线，所述旋转轴线基本上垂直于所述第一部分。
根据一个或几个示例，所述两个线基传导元件被布置成基本上平行于所述旋转轴线，并且所述两个线基传导元件关于所述旋转轴线对称。
根据一个或更多个示例，所述量热元件包括具有以下性质的材料：
-在25℃处高于或等于约120J/(kg.K)的恒压热容量；和/或
-高于或等于约500℃的熔化温度；和/或
-高于或等于约2500kg/m3的密度。
根据一个或更多个示例，所述量热元件包括石墨、金属或金属合金，优选为铜或银。
根据一个或更多个示例，所述两种不同的热电材料是选自以下各项的材料对：铬镍合金/康铜、铁/康铜、铬镍合金/铝镍合金、镍铬硅合金/镍硅合金(nicrosil/nisil)、镍-钼合金/镍-钴合金(镍-钼/镍钴)、铂铑/铂合金(铂-铑/铂)、钨-铼/钨合金(钨-铼/钨)。
根据一个或几个示例，传感器还包括粘合材料，该粘合材料对两个线基传导元件中的每一个进行包埋，以确保所述两个线基传导元件中的每一个与所述量热元件之间的机械接触。
根据一个或更多个示例，所述粘合材料包括：
-高于或等于约106S/m的电导率；和/或
-高于或等于约200W/(m.K)的热导率。
根据一个或几个示例，所述粘合材料包括从以下材料中的至少一种中选择的材料：银、金、铜磷合金、铜银合金、铜锌合金。
根据一个或更多个示例，热绝缘元件包括低于或等于约2W/(m.K)、优选低于或等于约0.5W/(m.K)的热导率。
根据一个或更多个示例，热绝缘元件特别是固体，该固体优选选自以下各项：气凝胶、多孔陶瓷、耐火水泥、水泥陶瓷复合材料、环氧树脂、酚醛树脂、陶瓷-陶瓷复合材料和技术软木。
根据一个或更多个示例，传感器还包括与量热元件的一部分接触的热交换器，所述热交换器被配置成对量热元件进行冷却。
在这种配置中，量热元件所储存的热通量的一部分被热交换器耗散，这样就可以将量热元件暴露于高热通量，例如高于或等于几W/m2的高热通量，而不会达到量热元件的熔化温度。因此，这允许测量高热通量而不受任何时间限制，并且永远不会达到形成量热元件的材料的熔点。
根据一个或更多个示例，第一部分至少部分地覆盖有反射膜，该反射膜在介于约0.5微米至约10微米之间的波长范围内具有低于或等于约0.1、优选低于或等于约0.05的发射率。
根据一个或更多个示例，第一部分至少部分地覆盖有反射膜，该反射膜在介于约0.8微米至约3微米之间的波长范围内具有低于或等于约0.1、优选低于或等于约0.05的发射率。
根据一个或更多个示例，所述前部面至少部分地覆盖有吸收膜，该吸收膜在介于约0.5微米至约10微米的波长范围内的发射率高于或等于0.9、优选高于或等于约0.95。
根据一个或更多个示例，所述前部面至少部分地覆盖有吸收膜，该吸收膜在介于约0.8微米至约3微米的波长范围内的发射率高于或等于0.9、优选高于或等于约0.95。
根据一个或更多个示例，所述传感器还包括舷窗部，该舷窗部被配置成布置在要测量的热通量和所述量热元件之间，但该舷窗部不与所述吸收膜机械接触。
在这样的配置中，要测量的热通量的对流贡献被舷窗部中和，使得可以使用传感器仅测量热通量的辐射贡献。
根据一个或更多个示例，所述舷窗部在基于约0.8至约3微米之间的波长范围内具有高于约0.9、优选地为0.95的透射率。
根据一个或更多个优选示例，所述舷窗部在基于约0.5至约10微米之间的波长范围内具有高于约0.9、优选地为0.95的透射率。
这允许从传感器外部环境朝向量热元件的前部面的辐射通量的良好透射。
根据第二方面，本说明书涉及一种惯性热通量测量系统，该惯性热通量测量系统包括：
-根据第一方面的传感器；
-用于在量热元件的第一部分暴露于要测量的热通量时对两个线基传导元件之间的电位差进行测量的装置；以及
-处理单元，该处理单元被配置成根据所述电位差来对所述热通量的值进行计算。
根据第三方面，本说明书涉及一种用于通过根据第二方面的系统对热通量进行测量的方法：
-使传感器的量热元件的第一部分暴露于要测量的热通量；
-利用电位差测量装置对传感器的两个线基传导元件之间的电位差进行测量；以及
-使用处理单元根据电位差来对热通量的值进行计算。
附图说明
阅读以下附图所示的描述后，本发明的其他优点和特征将变得明显：
[图1]示出了说明根据现有技术的包括惯性通量计的热通量测量系统的图，图1已经描述；
[图2]示出了说明根据本说明书的包括传感器的示例的热通量测量系统的图；
[图3]示出了说明根据本说明书的用于惯性热通量测量系统的传感器的操作的图；
[图4]通过等效图示出了说明测量根据本说明书的传感器中的量热元件的平均温度的原理的图。
[图5A]示出了说明根据现有技术的热电偶和根据本说明书的传感器的一部分的图；
[图5B]示出了说明具有相反塞贝克系数的热电偶产生的电位差随温度变化的曲线图；
[图6]示出了说明根据本说明书的包括传感器的第二示例的惯性热通量测量系统的图；
[图7]示出了说明包括根据本说明书的传感器的第三示例的惯性热通量测量系统的图；
[图8]示出了说明根据本说明书的包括传感器的第四示例的惯性热通量测量系统的图，该传感器特别地设置有热交换器。
具体实施方式
在图中，为了获得更好的可见性，元件并不总是按比例绘制。
图2示出了惯性热通量测量系统的示例的截面图，该惯性热通量测量系统包括：暴露于热通量的传感器200、用于测量电位差的装置240(也称为测量单元240)和处理单元250。
特别地，传感器200包括：具有前部面203和与前部面203相反的后部面206的量热元件201、热绝缘元件202、从后部面206穿过量热元件201的两个线基元件207a、207b。传感器200通过线基元件207a、207b电连接到测量装置240，并且传感器200可能经由分别电连接到线基元件207a、207b的两个连接元件208a、208b电连接到测量装置240。
如下文将更详细地描述的，当传感器200经受热通量时，传感器200通过塞贝克效应(Seebeck effect)产生电位差，该电位差由电位差测量装置240测量。然后将所述电位差传输到处理单元250，该处理单元250计算热通量值。
通常，电位差测量装置240可以包括电压表和用于对电压表测量的电信号进行整形的单元，整形单元包括例如电压放大器。
在本说明书中，处理单元250可以是计算机，该计算机包括用于存储指令的存储器和能够执行存储在存储器中的指令的处理器，特别是为了控制根据从电位差测量装置240接收的电位差对热通量值的计算。处理单元250还可以呈包括适于实现本说明书中描述的功能的电子部件的集成电路的形式。处理单元250还可以由一个或更多个物理上不同的设备来实现。
在热通量传感器200中，量热元件201被绝缘元件202部分包裹。因此，绝缘元件202允许限定出：量热元件201的未被覆盖的第一部分，该第一部分被配置成暴露于要测量的热通量并且形成前部面203的一部分；以及量热元件201的与所述热通量热绝缘的第二部分。量热元件201的未被覆盖的第一部分基本上是平面的。
在图2所示的示例中，量热元件的被配置成暴露于热通量的第一部分与前部面203重合。在未示出的其他示例中，前部面203包括量热元件的第一部分，但是与所述第一部分不重合。
在该示例中，量热元件201包括旋转轴线209并且量热元件201为直圆柱体，其一个基部为前部面203，另一个基部为后部面206。
传感器200还包括两个线基传导元件207a、207b，这两个线基传导元件由两种不同的热电材料制成，并且从后部面206沿量热元件201的长度方向部分地穿过量热元件201。如下文将详细解释的那样，申请人已证明两个线基传导元件207a、207b允许对量热元件201的平均温度进行测量。
在根据本说明书的惯性热通量测量系统中，申请人已证明，可以通过下一段中的公式，根据由两个线基传导元件207a、207b之间测量的电位差变化而获得的温度变化来获得要测量的热通量Φ。
[数学式1]
在所述公式中，m为传感器的量热元件201的质量，S为暴露于热通量的第一部分的截面，Cp为所述量热元件201的组成材料的恒压热容量，T为量热元件201的温度，t为时间，即进行温度测量的时间点。通常，用户会以规则的时间间隔(t、t+Δt......t+n.Δt)获取一系列温度测量值(T1、T2......Tn)。然后，通过前部面的等式计算该时间序列的离散导数，以获得热通量的实验值。
申请人对惯性热通量测量系统的技术所做的改进(evolution)主要基于在量热元件201中进行全温度测量的可能性，而之前这仅在后部面206上才有可能实现。其次，该改进基于使用由不连结但通过量热元件201电连接的两个元件(207a、207b)形成的热电偶，而不是热电偶107(如图1所示)，该热电偶107的两个元件(107a、107b)在固定在量热元件101的某一点处的一个单一热接点104处连结。这两个方面的结合允许显著提高量热元件的温度测量的准确性，从而提高由此得出的热通量值。
在根据本说明书的传感器中，两个线基传导元件207a、207b被布置为基本平行于量热元件201的旋转轴线209。两个线基传导元件207a、207b从后部面206沿与前部面203基本正交的方向部分地穿过量热元件201，该方向也是定义量热元件201的长度的方向。在优选示例中，两个线基传导元件207a、207b至少穿过量热元件201超过量热元件201的长度的约90％。
在图2的示例中，两个线基元件207a、207b布置成彼此平行并且关于旋转轴线209对称。两个线基元件207a、207b分别从量热元件201的后部面206穿过两个孔口205a、205b延伸。
根据一些示例，两个线基元件207a、207b通过连接元件208a、208b连接到电位差测量装置240。连接元件208a、208b可以是两个线基元件207a、207b的延伸以连接用于测量电位差的装置240的部分。
如图2的示例所示，连接元件208a、208b可以穿过绝缘元件202，以将两个线基元件207a、207b连接至电位差测量装置240。
尽管图2中示出了一个单一对线基元件207a、207b，但是根据本说明书的传感器的一些示例可以包括插入到量热元件中的多对线基元件207a、207b。
在一些实施方式中，线基元件207a、207b是直径小于约1mm、例如直径等于约0.5mm的单股。
根据一些示例，线基元件207a、207b通过沿量热元件201的长度形成的微孔插入到量热元件201中。例如，如果线基元件207a、207b是直径为约0.5mm的单股线，则微孔的直径可以为0.55mm，从而提供微小的间隙，以使得能够将线基元件207a，207b插入到量热元件201中。
例如，可以通过放电机加工制成微孔。这些孔可以相对于量热元件201的旋转轴线209在直径上相对。例如，微孔可以布置在与量热元件201的直径同心的、直径等于约1.5mm并在纵向上穿过量热元件201的圆上。因此，这些孔在其整个路径上彼此平行。
两个线基元件207a、207b由两种不同的热电材料形成。以此方式，申请人已证明，穿过量热元件201的两个线基元件207a、207b的布置然后形成了用于测量量热元件的温度的热电偶。传感器200中使用的两种热电材料可以有所不同，但优选地从通常用于K型、J型、E型或N型热电偶的材料对中选择。
因此，在K型热电偶的情况下，两个线基元件207a、207b的材料之一是镍铬合金(chromel)，而另一种材料是铝镍合金(alumel)。所选的两种材料也可以是通常用于形成其他类型的热电偶(例如B型、R型、S型、T型、G型、C型、D型热电偶)的材料对。
优选地，绝缘元件202为陶瓷。特别地，它可以包括以液态形式制备并注入量热元件与其支撑件之间(图2中未示出)的基于氧化铝(Al2O3)的多孔绝缘陶瓷。在制作这种陶瓷期间，要特别注意避免出现可能在绝缘元件202内形成空腔的滞留空气。根据一些示例，必要时，制造陶瓷的过程可以包括在固化之前在真空罩下脱气。一旦陶瓷硬化，就可以补充新鲜的陶瓷来补偿传感器的前部面处的任何收缩。一旦固化，陶瓷就可以被抛光成细颗粒(例如240型颗粒)，以与量热元件201的前部面203完美对齐。
根据一个或更多个示例，绝缘元件202通过在包括量热元件201的支撑件中就地浇铸、通过压力注射、通过机加工和配合插入所述支撑件、通过就地烧结、通过经由添加方法原地制造、或通过本领域技术人员已知的任何其他过程与量热元件201进行组装。
量热元件201包括以下材料，该材料的热性质(例如热导率和恒压热容量)是已知的并且可以用取决于量热元件201的温度的等式来表示。根据优选示例，量热元件201由铜制成。
在图2所示的示例中，量热元件201是直圆柱体，该直圆柱体的特征在于旋转轴线209。因此，在图2的截面图中，量热元件201的截面看起来是矩形的，并且前部面203由直线边缘示出，因为它包括平面表面。
根据其他示例，量热元件201可以是截头圆锥体，该截头圆锥体的底部作为后部面206，截头圆锥体的与底部相反的一侧作为前部面203，或者在前部面处是带肩的圆柱体，使得前部面203的表面积小于圆柱体的平均截面。这两种替代性的几何形状允许延长测量时间，而无需改变形成量热元件201的材料。图3示出了根据本说明书的用于惯性热通量测量系统的传感器的示意图，该传感器包括被热电偶的两个元件207a、207b穿过的量热元件201。
由于热电偶的贯通测量(through measurement)和不连结的元件207a、207b，元件207a、207b之间出现的塞贝克效应引起的电位差对应于量热元件201在所穿过的长度上的平均温度Tm。因此，这种布置就像具有一个单一接点104的多个75热电偶(107a、107b)分布在量热元件201的长度上，从而产生量热元件201在该长度上的温度的精确平均值。所谓精确平均值，应当理解为获得的温度是穿过量热元件201的整个长度上的温度的连续平均值，而不是离散平均值，如图3示意性所示以进行说明。
因此，根据本说明书的用于热通量系统的传感器允许测量量热元件201在沿量热元件201的长度分布的多个点处的温度，这使得例如可以将量热元件201内的温度梯度考虑在内。例如，此类梯度是由于量热元件201的前部面203上的高热通量导致量热元件201内的温度不均匀。
相比之下，根据现有技术的通量计的主要缺点在于仅在一个单一点处测量量热元件的温度，因此无法考虑量热元件中可能出现的温度梯度，这降低了此类通量计的准确性。
量热元件的尺寸设置
在优选实施方式中，量热元件201的尺寸被设置成满足至少两个通常对抗的标准，如下所述。
热薄介质的假设
一方面，量热元件201的尺寸可以被设置成使得当其经受热通量时其温度几乎一致，这允许将其视为“热薄的”，并且因此能够使用热力学理论根据由于量热元件201的温度上升而引起的电位差来计算热通量的值。实际上，该第一标准得到量热元件的最大长度，超过该长度，量热元件就不能不再被认为是热薄的。申请人已证明，可以使用包括传感器参数和热通量测量的实验条件的无量纲数来确定量热元件201的所述最大长度。特别地，申请人已证明，当要考虑的无量纲数小于约0.1时，则量热元件201可以被视为热薄介质。
要考虑的无量纲数取决于要由传感器测量的热通量类型。
在要测量的热通量是基本上对流流动的情况下，要考虑的无量纲数是毕渥数(Biot number)。
毕渥数由下一段中的公式定义。
[数学式2]
在前部面的公式中，h为测量条件下的对流系数，H为量热元件201的长度，X为形成量热元件201的材料的热导率。
在要测量的热通量是基本上辐射通量的情况下，要考虑的无量纲数是辐射数NR。
辐射数由下一段中的公式定义。
[数学式3]
在前部面的公式中，G为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，Tgas为传感器外部环境的温度，H为量热元件的长度，X为形成量热元件201的材料的热导率，Tini为量热元件201的初始温度(测量前)。
在热通量是包含辐射贡献和对流贡献的通量(即所谓的“总通量”)的情况下，要考虑的无量纲数是毕渥数和辐射数之和。
材料抗熔化能力
另一方面，为了防止量热元件201发生任何不可逆的退化，可以要求热通量测量结束时达到的温度不超过量热元件201的熔化温度。实际上，该第二标准得到给定材料的量热元件201的最小长度，低于该最小长度，量热元件在热通量测量期间可能会熔化。
申请人已证明，量热元件的最小长度可以通过涉及量热元件的物理参数和热通量测量的参数的能量平衡来确定，所述参数特别包括：
-量热元件的恒压热容量及该热容量与温度的依赖关系，即函数Cp(T)；
-量热元件的质量(m)，其特别取决于量热元件的密度(ρ)和量热元件的体积；
-量热元件的初始温度Tini，即测量之前，例如常规环境温度为20℃；
-量热元件的可接受的最终温度Tend，即严格低于量热元件的熔化温度的温度。特别地，可以定义安全热裕度，例如约10％，以确保最终温度低于量热元件的熔化温度的约90％，从而确保传感器的坚固性。
-要由传感器测量的平均最大通量φaverage，这包括例如8MW/m2范围内的通量；以及
-最大测量持续时间，Δt，即传感器将暴露于热通量以测量热通量期间的最大时间。
申请人已经证明，所述热平衡给出了特别是在直圆柱体的量热元件的情况下量热元件的最小长度，该量热元件的最小长度根据下一段中的公式表示。
[数学式4]
在前部面的公式中，Cp,av是量热元件的恒压热容量的积分平均值，其下限为量热元件的初始温度Tini，最终限为量热元件的最终温度Tend。申请人已观察到，可以使用其他类型的平均值(例如，最终温度下和初始温度下的热容量的半和)，但是积分平均值由于其计算简单而特别有利。
例如，当传感器的尺寸被设置成测量等于约8MW/m2的、源于2,500℃下的气体源的持续时间至少等于约5秒的、且初始环境温度为约20°的基本上对流的热通量时，并且量热元件为由密度约为8,920kg/m3的铜(CuC2级纯铜)制成的直圆柱体时，则可接受的是圆柱体的长度介于约10.9mm和约11.5mm之间，以便一方面毕渥数基本小于或等于0.1，另一方面，达到的最终温度不超过量热元件201的熔化温度，安全裕度为10％。
前部面的尺寸
在等式[数学式4]中，未被绝缘元件覆盖的第一部分的表面(在一些示例中，其可以与量热元件的前部面203重合)没有出现。因此，在直圆柱体的量热元件201的情况下，量热元件201的前部面203的表面的尺寸设置原则上可以任意地选择。然而，在选择该值时可能会考虑一些约束，这些约束包括例如：
-传感器的关于专门研究的传感器的环境的空间要求。特别地，可以减小前部面203的表面，以便于传感器的植入；
-制造和处理约束。特别地，如果前部面203的表面太小，则可能使传感器的制造更加困难(特别是由于不太容易抓握)；
-热损失最小化约束。特别地，量热元件201的总外表面会引起热损失，如果减少前部面203的表面，则热损失通常可以减少。例如，对于直圆柱体来说，圆柱体的直径越大，圆柱体的旋转表面越大，横向热损失也会越大，这对于测量的准确性是不利的，因为这种损失很难测量。
此外，前部面203的表面的尺寸的设置也可以满足特定的实验条件，例如增加热通量的测量持续时间而没有任何改变量热元件201的材料的愿望。因此，根据一些示例，量热元件201可以包括肩部，该肩部的端部形成前部面203，以便相对于量热元件201的尺寸减少前部面203的表面积，从而能够避免量热元件201过快熔化。例如，在直圆柱体的量热元件201的情况下，可以通过肩部将前部面203的表面相对于圆柱体的表面减小2倍，以便能够将热通量的测量持续时间延长4倍，而不会影响热薄介质的状态。
图4示出了由通过包括如图3的等效图所示的热电偶的热电路(Th)与电气电路(E1)之间的热电类比进行直通测量的原理。
在图4中，通过三个热电偶10、20、30测量直线量热元件50的纵向平均温度，每个热电偶包括两个元件(12、13、22、23、32、33)。申请人已证明，如果热电偶如图4所示连接，则端部40的导线A和导线B之间测量的电位差允许推导出平均纵向温度Tm，其对应于分别用热电偶10、20、30测得的温度(T1、T2、T3)的平均值。这可以特别地通过热电路Th和等效电气电路E1之间的热电类比来证明。因此，通过测量量热元件中几个层次处的温度，直通测量允许测量量热元件的平均纵向温度Tm。
图5A示出了根据现有技术的具有一个单一热接点104的热电偶107和根据本说明书的由传感器的线基元件(207a、207b)形成的热电偶207。
申请人已证明，可以通过具有特定布置的热电偶207来测量量热元件201的温度，其中两个元件207a、207b不是通过一个单一热接点直接机械连接，而是通过量热元件201连接。因此，该特定布置包括两个热接点64、65，因为接点存在于量热元件201与热电偶207的两个元件207a、207b中的每一个之间。
为了能够通过这样的布置来测量量热元件201的温度，量热元件201传导足够的电力是有用的。为此，申请人已观察到，具有高于或等于约105S/m、优选107S/m的电导率的量热元件能够测量量热元件201的温度是令人满意的。
申请人已证明，这种布置等效于现有技术中普遍使用的布置，其中两个元件107a、107b直接连接在一个单一接点104处，该接点放置成与量热元件201的测量温度的点接触。所述等效性是由于量热元件对两个接点64、65的塞贝克效应的贡献的补偿。特别地，因为两个接点64、65的塞贝克系数符号相反。
图5B示出了包含实验数据的曲线图，该曲线图示出了两个接点64、65中的每一个的通过塞贝克效应出现的电位差随量热元件201的温度上升的演变的示例。该数据对应于量热元件201由铜制成并且两个元件207a、207b分别为铬镍合金和F铝镍合金的情况。特别地，图5B示出了在每个接点64、65处出现的电位差是相反的并且绝对值基本相等，使得它们几乎完全彼此补偿。
图6示出了根据本说明书的用于惯性热通量测量系统的传感器的示例。特别地，如该示例所示，两个线基元件207a、207b可以穿过量热元件201的整个长度，以便与量热元件201的前部面203齐平。此外，如图6所示的传感器的示例所示，两个线基元件207a，207b中的每一个可以嵌入粘合材料211，以确保两个线基元件207a，207b与量热元件201之间的机械接触。
优选地，所述粘合材料211具有大于或等于约106S/m的电导率和/或大于或等于约200W/(m K)的热导率，以确保线基元件207a、207b与量热元件201之间的电接触和热接触。
根据一些示例，线基元件207a、207b通过钎焊植入量热元件201中，使得通过钎焊膏(例如包含银的膏)确保粘合材料211的功能。
钎焊前，通常使用带有针头的注射器将钎焊膏注入微孔中。检查通道出口处是否存在过量的膏，以确保微孔被膏饱和。将线基元件207a、207b(例如，一个由镍铬合金构成，另一个由铝镍合金构成)从量热元件201的后部面206插入到微孔中，直到稍微突出于前部面203。随后，通过将量热元件加热至红色(例如使用“氧丁烷”型焊枪)来进行钎焊操作。在加热期间，银膏通过毛细管现象在微孔内迁移，并基本均匀地润湿量热元件201和线基元件207a、207b两者。冷却之后，量热元件的前部面(暴露于通量)通常是被抛光的细颗粒(例如，P240型颗粒)，以获得非常好的反射率，并且还切断可能从前部面203的表面突出的线基元件207a、207b的端部。
图7所示的示例表明，线基元件在一些情况下可能彼此平行而不是直线的。特别地，两个线基元件207a、207b可以以两个脱氧核糖核酸(DNA)链的方式描述两个数学上共形或基本共形的螺旋。
在图8所示的示例中，用于惯性热通量测量系统的传感器包括热交换器210，该热交换器布置成与量热元件201的后部面206的至少一个部分接触。该热交换器被配置成以受控且预定的方式从量热元件201中排出热能。因此，可以将热通量测量延长持续长时间，而不会出现量热元件201中的温度超过熔化温度的风险。
特别地，根据一些示例，热交换器210是液体交换器，液体交换器的入口温度和质量流量是已知的和受控的，或者在传感器运行期间测量的。申请人已证明，通过测量交换器的出口温度，可以通过对量热元件201进行能量平衡来确定入射热通量。在这种情况下，如图8所示，在量热元件201的后部面206上通常不施加任何热绝缘元件，相反，后部面206应该有效地排出热通量。
在一些示例中，包括之前描述的示例中，前部面203可以覆盖有被配置成执行不同功能的涂层。
特别地，涂层可以是吸收膜，该吸收膜被配置成吸收入射通量的辐射贡献，从而允许确保测量包括热通量的辐射贡献和对流贡献之和的总通量。例如，这种吸收膜可以是高温“哑光黑色”彩色涂料，其平均红外吸收率为0.95，可接受的最大温度为700℃。后者通常通过圆端头精密刷手动沉积在量热元件201的前部面203上。另一方面，绝缘件202的外周表面不应涂有油漆。
涂层还可以是反射膜，该反射膜被配置成对入射通量的辐射贡献进行反射，从而有助于对热通量的对流贡献进行测量。例如，这种反射膜可以被配置成赋予前部面203低于约0.1、优选地低于约0.05的发射率。根据图中未示出的一些示例，传感器还可以包括舷窗部(porthole)，该舷窗部被配置成对热通量的对流贡献进行抵消但对热通量的辐射贡献进行传输。实际上，舷窗部在传感器外部的热通量和量热元件201的前部面203之间形成机械屏障，以防止与前部面203处的所述热通量相关的材料的移动。当根据本说明书的传感器设置有这样的舷窗部时，可以仅对热通量的辐射贡献进行测量，因为只有该贡献到达前部面203，而对流贡献被舷窗部抵消。
例如，这种舷窗部对于波长在约0.7微米至约5微米之间的电磁辐射通常具有高于约90％的透射率。尽管透射率高于90％的舷窗部是优选的，但也可以使用透射率高于70％的舷窗部，此时所需的只是事先在实验室中测量透射率，以便能够随后校正在所述舷窗部存在下获得的热通量测量值。
舷窗部布置在热通量和前部面203之间，但不与前部面203接触，以避免由于从舷窗部朝向前部面203传导而传递热能。例如，舷窗部包括蓝宝石。舷窗部的形状可以是厚度为约0.5mm至1.5mm的圆形板。
一般来说，这种舷窗部有利地覆盖有如前所述的吸收膜，以便改善传感器对热通量辐射贡献的测量。
尽管通过一些实施方式进行了描述，但是根据本说明书的用于惯性热通量测量系统的方法和传感器包括不同的变型、修改和改进，这些变型、修改和改进对于本领域技术人员而言将是明显的，应当理解，这些不同的变型、修改和改进属于由所附权利要求限定的本发明的范围。
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Claims (17)

1.一种用于惯性热通量测量系统的传感器(200)，所述传感器包括：
-固体型量热元件(201)，所述量热元件具有给定长度，所述量热元件包括前部面(203)和与所述前部面(203)相反的后部面(206)，所述量热元件(201)具有高于或等于约100W/(m.K)的热导率和高于或等于约105S/m的电导率；
-热绝缘元件(202)，所述热绝缘元件部分地覆盖所述量热元件(201)，以限定出未被所述量热元件覆盖的第一部分和被所述量热元件(201)覆盖的第二部分，所述第一部分基本为平面的，并且所述第一部分被配置成暴露于要测量的热通量并形成所述前部面(203)的一部分，所述第二部分与所述热通量热绝缘；以及
-两个线基传导元件(207a、207b)，所述两个线基传导元件从所述后部面(206)至少部分地穿过所述量热元件(201)，并且所述两个线基传导元件被布置成彼此不机械接触，而是所述两个线基传导元件在所述量热元件(201)的长度的至少一部分上经由所述量热元件(201)电接触，所述两个线基传导元件由两种不同的热电材料制成。
2.根据权利要求1所述的传感器(200)，其中，所述两个线基传导元件(207a、207b)在所述量热元件的至少约30％的长度上穿过所述量热元件(201)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，其中，所述两个线基传导元件(207a、207b)以贯穿所述量热元件(201)的方式穿过所述量热元件(201)，以使所述两个线基传导元件(207a、207b)与所述第一部分齐平。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，其中，所述两个线基传导元件(207a、207b)布置成基本上平行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，其中，所述量热元件(201)具有圆柱形形状、圆锥形形状、或圆柱形-圆锥形形状，并且所述量热元件(201)包括旋转轴线(209)，所述旋转轴线(209)基本上垂直于所述第一部分。
6.根据权利要求5所述的传感器(200)，其中，所述两个线基传导元件(207a、207b)被布置成基本上平行于所述旋转轴线(209)，并且所述两个线基传导元件(207a、207b)关于所述旋转轴线(209)对称。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，其中，所述量热元件(201)包括具有以下性质的材料：
-在25℃处高于或等于约120J/(kg.K)的恒压热容量；和/或
-高于或等于约500℃的熔化温度；和/或
-高于或等于约2500kg/m3的密度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，其中，所述量热元件(201)包括石墨、金属或金属合金。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，其中，所述两种不同的热电材料为选自以下各项的材料对：铬镍合金/康铜、铁/康铜、铬镍合金/铝镍合金、镍铬硅合金/镍硅合金、镍-钼/镍-钴、铂-铑/铂、钨-铼/钨。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，所述传感器(200)还包括粘合材料(211)，所述粘合材料对所述两个线基传导元件(207a、207b)中的每一个进行包埋，以确保所述两个线基传导元件(207a、207b)中的每一个与所述量热元件(201)之间的机械接触。
11.根据权利要求10所述的传感器(200)，其中，所述粘合材料(211)包括选自以下材料中的至少一种的材料：银、金、铜磷合金、铜银合金、铜锌合金。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，所述传感器(200)还包括与所述量热元件(201)的一部分接触的热交换器(210)，所述热交换器(210)被配置成对所述量热元件(210)进行冷却。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)，其中，所述第一部分至少部分地覆盖有反射膜，所述反射膜在介于约0.5微米至约10微米之间的波长范围内的发射率低于或等于约0.1。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的传感器(200)，其中，所述第一部分至少部分地覆盖有吸收膜，所述吸收膜在介于约0.5微米至约10微米之间的波长范围内的发射率高于或等于约0.9。
15.根据权利要求14所述的传感器，所述的传感器还包括舷窗部，所述舷窗部被配置成布置在要测量的热通量与所述量热元件(201)之间，但所述舷窗部不与所述吸收膜机械接触。
16.一种惯性热通量测量系统，所述惯性热通量测量系统包括：
-根据前述权利要求中任一项所述的传感器(200)；
-用于在所述量热元件的所述第一部分暴露于要测量的热通量时对所述两个线基传导元件(207a、207b)之间的电位差进行测量的装置(240)；以及
-处理单元(250)，所述处理单元被配置成根据所述电位差来对所述热通量的值进行计算。
17.一种用于通过根据权利要求16所述的系统对热通量进行测量的方法，所述方法包括：
-使所述传感器(200)的所述量热元件的所述第一部分暴露于要测量的热通量；
-利用电位差测量装置(240)对所述传感器(200)的所述两个线基传导元件(207a、207b)之间的电位差进行测量；以及
-使用所述处理单元(250)根据所述电位差来对所述热通量的值进行计算。
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