小热流测量技术研究

2020-08-11李文峰孟祥军张晓菲卢超

工程建设与设计 2020年14期

李文峰，孟祥军，张晓菲，卢超

（北京航天计量测试技术研究所，北京100076）

1 引言

热流测量技术在国防工程和民用节能领域有着广泛的应用。国防领域中，空间技术的发展对小量程热流测量技术提出了更高的要求。飞行器或卫星等在外太空飞行时，表面小热流参数非常重要。小热流密度的测量技术研究对飞行器表面小热流检测以及表面材料散热和保温结构的设计具有指导意义。

民用节能领域，热流的测量主要是针对隔热、保温的维护结构进行的，如建筑墙体、炼钢炉的炉壁和地板等，主要对被测表面的热损失进行测量，从而检验壁体的热损及保温性能[1]。

本文介绍了一种利用轴向导热原理的热阻式传感器，适用于国防工程小热流测量。

2 工作原理介绍

目前，应用最广的热流传感器主要有2大类，一类是利用导热形成温差原理的热阻式热流传感器，该类传感器包括利用轴向导热原理的热阻板（杆）式传感器（Schimdt-Boelter式热流传感器）和利用径向导热原理的热阻式热流传感器（GARDON式热流传感器）；另一类是根据物体温升速率确定热流密度的热容式热流传感器，该类传感器包括金属块式（或称塞式）热流传感器和同轴热电偶热流传感器[2]。

Schimdt-Boelter式热流传感器采用热电堆式热流测头，该热流测头的输出信号和灵敏度只受安装空间尺寸的影响，可以在很低的热流密度下输出较大的电压信号；其次，热电堆测头只需要很小的温度梯度就能产生较大的信号，因此，测头上的温度变化很小，对于测量低温气体产生的较小对流传热以及小热流密度传热过程比较合适。

热电堆式热流测头如图1所示，主要由绝缘基板和n对热电偶串联组成，当热流方向垂直于基板端面时，基板两面的热电偶处会形成温差ΔT。在稳态条件下，此温差与被测热流密度q成正比关系：

式中，λ为基板材料的导热系数；σ为基板材料的厚度。

同时，n对热电偶串联产生的热电势E为：

式中，E为测头输出热电势；e为热电偶系数。

由式（1）和式（2）可得热流密度与输出电势的关系：

由式（3）可知，热流密度一定时，假如热电偶系数和基板导热系数比较稳定，输出热电势E只与热电偶对数n有关，两者成反比。在规定的应用温度区间内使用时，尽量选择热电偶系数e和基板导热系数λ比较稳定的材料，有助于提高热流测头的输出线性度。为了提高热流测头测吸热率，确保输出信号的灵敏度，在测头表面涂覆黑色辐射涂料，可以提高测头对热量的吸收率，同时提高了测头的耐氧化、耐腐蚀能力，可靠性更高。

3 传感器设计

传感器敏感体采用热电堆式热流测头，测头热电偶为铜-铜镍（康铜）。敏感体主要由聚酰亚胺基板、铜-康铜热电偶、引线、热沉构成，结构如图2所示。敏感体通过绝缘接线板转接后由导线引出，与要求尺寸的法兰盘配合，共同构成了整个热流传感器。当对稳定工作时间由较高要求时，敏感体的热沉部分可以设计为水冷结构，此时热流传感器可以在循环水量充分的条件下长期稳定工作，水冷结构多用于民用领域[3]。传感器尺寸视安装环境有所不同，当安装结构体为热良导体，且与传感器外壳紧密接触时，尺寸可大大减小。

图1热电堆式热流测头示意图

图2敏感体结构示意图

当有对流或者辐射热流q通过敏感体表面时，其热量可以近似看成沿着垂直于敏感体表面呈一维梯度分布，热量传递到质量和热容量较大的热沉体中或者被水冷循环带走，则基板B面温度基本保持稳定，在基板的A面和B面之间沿着热量传递方向形成温度梯度，2个面的热电偶形成温度差，产生电压信号，信号的大小与所测热流值相关。由于热沉和热电堆均为金属导体，需要进行特殊的绝缘处理，A面须涂覆黑色辐射涂料，防止热电偶高温氧化，影响输出精度。

4 试验分析

本研究采用环氧玻璃布层板作为绝缘基板，基板上绕制不同匝数的康铜丝，其中一半尺寸的康铜丝被电镀上均匀厚度的铜材料，作为热电堆。由公式（3）可知，当热流密度一定时，传感器的理论输出电压信号大小与热电偶对数呈正比，本文主要对热流传感器输出稳定性、线性度以及热电偶对数对输出电压大小的影响进行了具体研究。

热电堆具体参数如下：基板尺寸：28mm×5mm×0.8mm；热电偶材料：铜-康铜；热电偶对数：1#：103对，2#：74对，3#：41对。传感器紫铜热沉体尺寸为：φ34mm×20mm。

检定时辐射源采用JRNO黑体炉，标准采用进口2W/cm2热流计，KEITHLEY 2700进行数据采集，分别对3只热流传感器进行了检定。

图3～5所示分别为热流密度为0.73W/cm2时3只传感器的输出信号曲线，每只传感器进行了10min的稳定试验测试。由输出数据以及波形可得知，传感器的响应时间大致为2s，10min之内热流传感器可以获得稳定输出，即热沉体温升对输出影响不大。另外，输出波形在5%内波动，是由于黑体炉输出热流不稳定以及外界环境变化的影响造成的。