热阻式热流传感器校准装置研究

张晓菲 孟祥军 王阔传 张玉常 吴春婵

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.火箭军装备部驻北京地区第一军事代表室，北京 100076)

1 引 言

热流传感器是用来测试热流密度的传感器，目前应用最广泛的热流传感器有两大类：一种是热阻式热流传感器，使用温度通常在200℃以下，热流密度在20kW/m2以下；另一种是圆箔式热流传感器，使用温度较高，热流密度范围可达到5mW/m2，主要用于航天型号研制及冶金、化工等工业领域的高强度辐射热流的测试[1]。

在航天型号研制过程中，例如在航天新材料研制及飞行器的热控系统中，大量使用热阻式热流传感器，此外，该传感器还用来测试地热、管道或者壁面的保温性能和热量损失，在节能减排工作中广泛使用。因此，开展热阻式热流传感器校准技术研究，对保障飞行器防热结构设计、热控设计、航天航空新材料研制及卫星、空间站热流测量的准确性意义重大。此外，建立热阻式热流传感器校准装置也可以在节能减排工作中发挥作用，为国民经济发展做出贡献。

2 热阻式热流传感器测量原理

假设一无限大的单层导热模型，如图1所示。内表面温度T1总高于外表面温度T2，而且T1和T2都是不随时间变化的稳定温度。

图1 单层平壁稳定传热Fig.1 Steady heat transfer of single-layer flat wall

试验表明，通过炉墙向外传出的热流量Q必定与温度差(T1-T2)以及炉墙面积S成正比，而与炉墙厚度Δx成反比。试验还表明在同样大小的温度差，面积和厚度的情况下，炉墙传出的热流量Q还与炉墙的材料有关。

(1)

式中：λ——导热系数，表征材料的导热能力，W/mK。

当墙内温度分布不均时，将墙内任一点处沿x方向的温度增加率称为温度梯度为

(2)

在单向导热问题中，温度梯度是沿x方向的温度增加率，负号表示温度梯度与导热的方向是相反。此时导热计算公式可以变成更具普遍意义的形式

(3)

定义q代表每平米面积每小时所传递的热量，也被称为热流密度，则

(4)

如果两个等温面平行并且温差为ΔT时，则

(5)

此时，只需要测出这个温差就可以得到热流值，热阻式热流传感器原理图如图2所示。

图2 热阻式热流传感器测头Fig.2 Metal heat flow probe

把两种不同的导体两端接合在一起，构成闭合环路，当两接点有温差时，回路中存在一个与温差成单调关系的Seebeck热电动势。如固定一个接点温度不变，则可测量此回路中的电动势，确定出另一接点的温度，这就是热电偶测温的原理。

如果采用康铜箔作为金属片，两边镀上铜或银就形成一对温差热电偶，这样就能直接测出温差，而这个温差是与热流密度成比例的，温差的数值也是与热电势的大小成比例的。此时输出的温差热电势就直接反映了热流密度的大小。

q=C×E

(6)

式中：C——热流测头系数，W/(m2·mV)；E——测头输出电势，mV。

3 热阻式热流传感器校准方法

热流传感器在出厂前或使用前都要进行校准，通过校准结果对传感器的灵敏系数进行调整，灵敏系数是由通过传感器的热流密度和输出电势决定的。

热阻式热流传感器的标定主要是标定测头系数C，标定时必须要有一个稳定的具有确定方向的一维热流，其热流密度的数值能够准确测定并且可以调整，表面应是可调温度的等温面。若要确定传感器的热阻，还必须在标定的同时测出传感器两面的温差以及传感器的厚度。

目前国际上通用的校准热阻式热流传感器的方法为保护热板法。保护热板法基于无限大平板的单向稳定传热原理，保护热板装置可产生一个一维的均匀热流，其热流和温度均可以调节，标定设备的结构如图3所示。

图3 保护热板装置结构图Fig.3 Structure of protection hot plate device

热流传感器放置于主加热器和冷板之间，调整保护圈加热器的功率，使主加热器和保护加热器的温度相等，还要使主加热器底部温度和底部加热器温度相等，保证一维稳定热流的条件。

主加热器所发出的热流均匀垂直的通过热流测头，热流密度可以计算得到

(7)

式中：U——中心热板加热器电压，V；I——通过加热器的电流，A；S′——主加热板面积，m2。

保护热板法校准的优点是校准准确度高，经过绝对法校准的热流计可以作为标准热流计去校准其他热流计。

4 保护热板法研究进展

保护热板法是国际上最通用的测量绝热材料导热系数的标准方法之一。美、英、德和日本等国家都制订有保护热板法测量绝热材料导热系数的国家标准。国际标准化组织ISO/TC163(ISO/DIS8302)已确认此法为国际标准方法之一。我国对ISO 8302标准进行了同等引用，制订了标准GB/T 10294-2008，并在2008年发布并实施。

4.1 国外保护热板装置研究进展

4.1.1标准ASTMC177介绍[2]

美国材料与试验协会(ASTM)发布了一项采用保护热板法对稳态热流和热传导性质进行测量的标准，最新标准号为ASTM C 177-13。标准建立了实验室环境下，可用于测量导热系数和测量稳态热流的保护热板装置。

主加热板为计量部分提供稳定的热流。保护热板保证了装置内稳定的热环境。冷板意在创造等温平面。

在实际试验过程中，由于样品及热板的尺寸限制，以及控温环境与计量部分边缘的温度差异，会产生侧向热流。保护热板的作用就是限制侧向热流的大小。防护热板的尺寸主要由侧面部分与计量部分面积的比例以及样品厚度等决定。试验样品需为扁平形状，应有足够大的面积才可满足计量精度要求。当采用双试样方法时，需保证两试样尽量相同，并保证装置的对称性。

4.1.2国外典型装置

2011年F.Arpino，M.Dell’Isola，G.Ficco等人设计了一种可用于5W/m2到100W/m2热流量范围内的热流计校准装置，并利用商业有限元软件进行了仿真，理论上可以将不确定度限制在2%以内。该系统被设计成可实现两种功能，测量绝热材料导热系数和用绝对法校准热流传感器。其冷板和热板之间夹有三块不同厚度导热系数已知的硼硅玻璃。当校准热流传感器时可通过测量加热器功率和测量导热材料两侧温差两种方式求得热流。

4.1.3GB/T10294-2008/ISO8302介绍[3～4]

我国对国际标准ISO 8302进行了同等引用，并于2008年发布了最新国家标准《GB/T 10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——防护热板法》。

装置原理与标准C177中所描述标准相同，在稳态条件下，建立类似于以两个平行的温度均匀的平面为界的无限大平板中存在的一维的均匀热流密度。装置可建造成双试样和单试样两种形式。

加热单元由分离的计量部分和围绕计量部分的防护部分组成，它们之间有一条隔缝，在计量部分形成一维均匀的稳态热流。冷却单元可以是连续的平板，但最好与加热单元类似。

4.2 国内典型装置

1994年，同济大学杨惠林、徐骏华等人研制了TFD-1型保护热板法导热仪。装置选用的热板尺寸是300mm×300mm，主热板尺寸是150mm×150mm，间隙是2mm；主、护热板由3mm厚的铝板制成，在绝缘材料上均匀绕制电热丝作为主、护热板的加热器；主护热板之间采用耐温的非金属连接件，并用粘结剂胶合[5]。

2010年，上海交通大学的李满峰研发了一种保护热板装置，该装置工作于液氮制冷的环境中，用于测量各种板材的导热系数。装置采用对称双样品的工作方式，主要由热板及保护热板、冷板、导轨、控制与测量系统等部分构成，测试样品安装于主热板两侧，被导轨机构固定于两侧冷板之间，由夹紧装置施加固定力用于固定样品，从而实现测量功能[6]。

2012年上海交通大学的胡文涛对热流计校准及其温度控制系统进行了研究。分别设计了模糊PID控制器和BP神经网络PID控制器，并进行了仿真对比。同时基于LabVIEW平台进行了数据采集与温度控制等的设计。2013年，上海市计量测试技术研究院的葛志松、蔡萍等人申请了“热阻式热流计校准方法及其实施装置”的发明专利。

5 热阻式热流传感器校准装置

北京航天计量测试技术研究所建立的校准装置采用绝对法——保护热板法，将被校热流传感器置于一维的均匀热流场中，该一维均匀热流场的热流可以调节，从而实现热流传感器的校准。

5.1 装置总体结构设计

该系统由热板(主热板、保护热板等)、冷板、温度控制系统、冷却系统、真空系统和数据采集系统等部分组成。

5.2 热板设计

5.2.1主热板设计

在进行热阻式热流传感器校准时，传感器置于主热板及冷板之间，主加热器将电能转化为热能对主热板进行加热，并以热流的形式通过热流传感器。由于保护热板与主热板温度一致，主热板的热量不会向保护热板传递，只能通过热流传感器，流向冷板。

热板由加热器和均热板构成。加热器的绕制必须保证热板温度的均匀性及稳定性。经软件仿真计算，温度均匀性优于0.1℃，绕制的加热器表面温度均匀性能够满足设计指标要求。

5.2.2漏热保护设计

装置的漏热保护设计是影响装置测量不确定度的关键因素。为防止主热板漏热，保证标准热流源产生稳定的一维热流，采用了在主热板的侧面加保护热板、后面加底面保护热板的方法，通过使各保护热板的温度跟踪主热板温度，最后使各保护热板的温度与主热板温度达到一致。

同时，在主热板和保护热板中间填充绝热材料，并在整个标准热源的四周加装绝热材料，保证了主热板的热量作用到被校热流传感器上。

5.3 冷板设计

冷板采用“迷宫式”的水槽板，表面贴装温度传感器检测冷板温度、冷却水入口温度以及出口温度。冷板的温度由冷却系统供给温度恒定的冷却水来保证。冷板尺寸与热板尺寸相同，结构示意图如图4所示。

图4 冷板结构示意图Fig.4 Schematic diagram of cold plate structure

冷板表面加装防结露的橡胶盖板，并固定在外壳盖上。使用时，借助丝杠上下移动，还可以根据需要改变压紧的压力大小。

在冷板的入水口及出水口加装温度传感器及流量传感器，通过监测温度及流量参数计算冷板带走的热量。

5.4 温度控制系统

温度控制系统保障热板与冷板产生稳定的一维传热，由电源、温度控制器、温度传感器和检测仪表组成。通过稳压电源给主热板加热器加热，使主热板温度上升；通过监测主热板和侧面保护热板、主热板和底部保护热板之间的温度差，将温差信号输入到温度控制器,温度控制器控制对侧面保护热板和底部保护热板各自加热的电源，使得主热板与侧面保护热板及底部保护热板的温差小于0.1℃，如图5所示。

图5 温度控制系统原理简图Fig.5 Schematic diagram of temperature control system

控制系统采用高精度测量、闭环控制系统，其中的反馈测量直接影响温度控制的稳定性，本项目高精度温度传感器作为反馈元件的方式，采用PID控制实现稳定的温度控制，使保护热板对主热板的温度跟踪小于0.1℃。

6 结束语

本文对热阻式热流传感器的校准方法——保护热板法进行了研究，对其主要结构及各部分功能进行了描述。保护热板法作为国际上通用的用于热阻式热流传感器校准的方法得到了广泛的应用，项目研究可实现热阻式热流传感器量值的准确传递，也可以在节能减排工作中发挥作用，为国民经济发展做出贡献。