熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)裝置研究

張曉菲 孟祥軍 王闊傳 張玉常 吳春嬋

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076；2.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076)

1 引 言

熱流傳感器是用來(lái)測(cè)試熱流密度的傳感器，目前應(yīng)用最廣泛的熱流傳感器有兩大類(lèi)：一種是熱阻式熱流傳感器，使用溫度通常在200℃以下，熱流密度在20kW/m2以下；另一種是圓箔式熱流傳感器，使用溫度較高，熱流密度范圍可達(dá)到5mW/m2，主要用于航天型號(hào)研制及冶金、化工等工業(yè)領(lǐng)域的高強(qiáng)度輻射熱流的測(cè)試[1]。

在航天型號(hào)研制過(guò)程中，例如在航天新材料研制及飛行器的熱控系統(tǒng)中，大量使用熱阻式熱流傳感器，此外，該傳感器還用來(lái)測(cè)試地?zé)?、管道或者壁面的保溫性能和熱量損失，在節(jié)能減排工作中廣泛使用。因此，開(kāi)展熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究，對(duì)保障飛行器防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱控設(shè)計(jì)、航天航空新材料研制及衛(wèi)星、空間站熱流測(cè)量的準(zhǔn)確性意義重大。此外，建立熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)裝置也可以在節(jié)能減排工作中發(fā)揮作用，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

2 熱阻式熱流傳感器測(cè)量原理

假設(shè)一無(wú)限大的單層導(dǎo)熱模型，如圖1所示。內(nèi)表面溫度T1總高于外表面溫度T2，而且T1和T2都是不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定溫度。

圖1 單層平壁穩(wěn)定傳熱Fig.1 Steady heat transfer of single-layer flat wall

試驗(yàn)表明，通過(guò)爐墻向外傳出的熱流量Q必定與溫度差(T1-T2)以及爐墻面積S成正比，而與爐墻厚度Δx成反比。試驗(yàn)還表明在同樣大小的溫度差，面積和厚度的情況下，爐墻傳出的熱流量Q還與爐墻的材料有關(guān)。

(1)

式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，表征材料的導(dǎo)熱能力，W/mK。

當(dāng)墻內(nèi)溫度分布不均時(shí)，將墻內(nèi)任一點(diǎn)處沿x方向的溫度增加率稱(chēng)為溫度梯度為

(2)

在單向?qū)釂?wèn)題中，溫度梯度是沿x方向的溫度增加率，負(fù)號(hào)表示溫度梯度與導(dǎo)熱的方向是相反。此時(shí)導(dǎo)熱計(jì)算公式可以變成更具普遍意義的形式

(3)

定義q代表每平米面積每小時(shí)所傳遞的熱量，也被稱(chēng)為熱流密度，則

(4)

如果兩個(gè)等溫面平行并且溫差為ΔT時(shí)，則

(5)

此時(shí)，只需要測(cè)出這個(gè)溫差就可以得到熱流值，熱阻式熱流傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 熱阻式熱流傳感器測(cè)頭Fig.2 Metal heat flow probe

把兩種不同的導(dǎo)體兩端接合在一起，構(gòu)成閉合環(huán)路，當(dāng)兩接點(diǎn)有溫差時(shí)，回路中存在一個(gè)與溫差成單調(diào)關(guān)系的Seebeck熱電動(dòng)勢(shì)。如固定一個(gè)接點(diǎn)溫度不變，則可測(cè)量此回路中的電動(dòng)勢(shì)，確定出另一接點(diǎn)的溫度，這就是熱電偶測(cè)溫的原理。

如果采用康銅箔作為金屬片，兩邊鍍上銅或銀就形成一對(duì)溫差熱電偶，這樣就能直接測(cè)出溫差，而這個(gè)溫差是與熱流密度成比例的，溫差的數(shù)值也是與熱電勢(shì)的大小成比例的。此時(shí)輸出的溫差熱電勢(shì)就直接反映了熱流密度的大小。

q=C×E

(6)

式中：C——熱流測(cè)頭系數(shù)，W/(m2·mV)；E——測(cè)頭輸出電勢(shì)，mV。

3 熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)方法

熱流傳感器在出廠前或使用前都要進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)傳感器的靈敏系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，靈敏系數(shù)是由通過(guò)傳感器的熱流密度和輸出電勢(shì)決定的。

熱阻式熱流傳感器的標(biāo)定主要是標(biāo)定測(cè)頭系數(shù)C，標(biāo)定時(shí)必須要有一個(gè)穩(wěn)定的具有確定方向的一維熱流，其熱流密度的數(shù)值能夠準(zhǔn)確測(cè)定并且可以調(diào)整，表面應(yīng)是可調(diào)溫度的等溫面。若要確定傳感器的熱阻，還必須在標(biāo)定的同時(shí)測(cè)出傳感器兩面的溫差以及傳感器的厚度。

目前國(guó)際上通用的校準(zhǔn)熱阻式熱流傳感器的方法為保護(hù)熱板法。保護(hù)熱板法基于無(wú)限大平板的單向穩(wěn)定傳熱原理，保護(hù)熱板裝置可產(chǎn)生一個(gè)一維的均勻熱流，其熱流和溫度均可以調(diào)節(jié)，標(biāo)定設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 保護(hù)熱板裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of protection hot plate device

熱流傳感器放置于主加熱器和冷板之間，調(diào)整保護(hù)圈加熱器的功率，使主加熱器和保護(hù)加熱器的溫度相等，還要使主加熱器底部溫度和底部加熱器溫度相等，保證一維穩(wěn)定熱流的條件。

主加熱器所發(fā)出的熱流均勻垂直的通過(guò)熱流測(cè)頭，熱流密度可以計(jì)算得到

(7)

式中：U——中心熱板加熱器電壓，V；I——通過(guò)加熱器的電流，A；S′——主加熱板面積，m2。

保護(hù)熱板法校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是校準(zhǔn)準(zhǔn)確度高，經(jīng)過(guò)絕對(duì)法校準(zhǔn)的熱流計(jì)可以作為標(biāo)準(zhǔn)熱流計(jì)去校準(zhǔn)其他熱流計(jì)。

4 保護(hù)熱板法研究進(jìn)展

保護(hù)熱板法是國(guó)際上最通用的測(cè)量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。美、英、德和日本等國(guó)家都制訂有保護(hù)熱板法測(cè)量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC163(ISO/DIS8302)已確認(rèn)此法為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法之一。我國(guó)對(duì)ISO 8302標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了同等引用，制訂了標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10294-2008，并在2008年發(fā)布并實(shí)施。

4.1 國(guó)外保護(hù)熱板裝置研究進(jìn)展

4.1.1標(biāo)準(zhǔn)ASTMC177介紹[2]

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)發(fā)布了一項(xiàng)采用保護(hù)熱板法對(duì)穩(wěn)態(tài)熱流和熱傳導(dǎo)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，最新標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ASTM C 177-13。標(biāo)準(zhǔn)建立了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，可用于測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)和測(cè)量穩(wěn)態(tài)熱流的保護(hù)熱板裝置。

主加熱板為計(jì)量部分提供穩(wěn)定的熱流。保護(hù)熱板保證了裝置內(nèi)穩(wěn)定的熱環(huán)境。冷板意在創(chuàng)造等溫平面。

在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，由于樣品及熱板的尺寸限制，以及控溫環(huán)境與計(jì)量部分邊緣的溫度差異，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向熱流。保護(hù)熱板的作用就是限制側(cè)向熱流的大小。防護(hù)熱板的尺寸主要由側(cè)面部分與計(jì)量部分面積的比例以及樣品厚度等決定。試驗(yàn)樣品需為扁平形狀，應(yīng)有足夠大的面積才可滿(mǎn)足計(jì)量精度要求。當(dāng)采用雙試樣方法時(shí)，需保證兩試樣盡量相同，并保證裝置的對(duì)稱(chēng)性。

4.1.2國(guó)外典型裝置

2011年F.Arpino，M.Dell’Isola，G.Ficco等人設(shè)計(jì)了一種可用于5W/m2到100W/m2熱流量范圍內(nèi)的熱流計(jì)校準(zhǔn)裝置，并利用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行了仿真，理論上可以將不確定度限制在2%以?xún)?nèi)。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成可實(shí)現(xiàn)兩種功能，測(cè)量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)和用絕對(duì)法校準(zhǔn)熱流傳感器。其冷板和熱板之間夾有三塊不同厚度導(dǎo)熱系數(shù)已知的硼硅玻璃。當(dāng)校準(zhǔn)熱流傳感器時(shí)可通過(guò)測(cè)量加熱器功率和測(cè)量導(dǎo)熱材料兩側(cè)溫差兩種方式求得熱流。

4.1.3GB/T10294-2008/ISO8302介紹[3～4]

我國(guó)對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8302進(jìn)行了同等引用，并于2008年發(fā)布了最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10294-2008絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定——防護(hù)熱板法》。

裝置原理與標(biāo)準(zhǔn)C177中所描述標(biāo)準(zhǔn)相同，在穩(wěn)態(tài)條件下，建立類(lèi)似于以?xún)蓚€(gè)平行的溫度均勻的平面為界的無(wú)限大平板中存在的一維的均勻熱流密度。裝置可建造成雙試樣和單試樣兩種形式。

加熱單元由分離的計(jì)量部分和圍繞計(jì)量部分的防護(hù)部分組成，它們之間有一條隔縫，在計(jì)量部分形成一維均勻的穩(wěn)態(tài)熱流。冷卻單元可以是連續(xù)的平板，但最好與加熱單元類(lèi)似。

4.2 國(guó)內(nèi)典型裝置

1994年，同濟(jì)大學(xué)楊惠林、徐駿華等人研制了TFD-1型保護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀。裝置選用的熱板尺寸是300mm×300mm，主熱板尺寸是150mm×150mm，間隙是2mm；主、護(hù)熱板由3mm厚的鋁板制成，在絕緣材料上均勻繞制電熱絲作為主、護(hù)熱板的加熱器；主護(hù)熱板之間采用耐溫的非金屬連接件，并用粘結(jié)劑膠合[5]。

2010年，上海交通大學(xué)的李滿(mǎn)峰研發(fā)了一種保護(hù)熱板裝置，該裝置工作于液氮制冷的環(huán)境中，用于測(cè)量各種板材的導(dǎo)熱系數(shù)。裝置采用對(duì)稱(chēng)雙樣品的工作方式，主要由熱板及保護(hù)熱板、冷板、導(dǎo)軌、控制與測(cè)量系統(tǒng)等部分構(gòu)成，測(cè)試樣品安裝于主熱板兩側(cè)，被導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)固定于兩側(cè)冷板之間，由夾緊裝置施加固定力用于固定樣品，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能[6]。

2012年上海交通大學(xué)的胡文濤對(duì)熱流計(jì)校準(zhǔn)及其溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。分別設(shè)計(jì)了模糊PID控制器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，并進(jìn)行了仿真對(duì)比。同時(shí)基于LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與溫度控制等的設(shè)計(jì)。2013年，上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院的葛志松、蔡萍等人申請(qǐng)了“熱阻式熱流計(jì)校準(zhǔn)方法及其實(shí)施裝置”的發(fā)明專(zhuān)利。

5 熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)裝置

北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所建立的校準(zhǔn)裝置采用絕對(duì)法——保護(hù)熱板法，將被校熱流傳感器置于一維的均勻熱流場(chǎng)中，該一維均勻熱流場(chǎng)的熱流可以調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)熱流傳感器的校準(zhǔn)。

5.1 裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由熱板(主熱板、保護(hù)熱板等)、冷板、溫度控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。

5.2 熱板設(shè)計(jì)

5.2.1主熱板設(shè)計(jì)

在進(jìn)行熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)時(shí)，傳感器置于主熱板及冷板之間，主加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)主熱板進(jìn)行加熱，并以熱流的形式通過(guò)熱流傳感器。由于保護(hù)熱板與主熱板溫度一致，主熱板的熱量不會(huì)向保護(hù)熱板傳遞，只能通過(guò)熱流傳感器，流向冷板。

熱板由加熱器和均熱板構(gòu)成。加熱器的繞制必須保證熱板溫度的均勻性及穩(wěn)定性。經(jīng)軟件仿真計(jì)算，溫度均勻性?xún)?yōu)于0.1℃，繞制的加熱器表面溫度均勻性能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5.2.2漏熱保護(hù)設(shè)計(jì)

裝置的漏熱保護(hù)設(shè)計(jì)是影響裝置測(cè)量不確定度的關(guān)鍵因素。為防止主熱板漏熱，保證標(biāo)準(zhǔn)熱流源產(chǎn)生穩(wěn)定的一維熱流，采用了在主熱板的側(cè)面加保護(hù)熱板、后面加底面保護(hù)熱板的方法，通過(guò)使各保護(hù)熱板的溫度跟蹤主熱板溫度，最后使各保護(hù)熱板的溫度與主熱板溫度達(dá)到一致。

同時(shí)，在主熱板和保護(hù)熱板中間填充絕熱材料，并在整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱源的四周加裝絕熱材料，保證了主熱板的熱量作用到被校熱流傳感器上。

5.3 冷板設(shè)計(jì)

冷板采用“迷宮式”的水槽板，表面貼裝溫度傳感器檢測(cè)冷板溫度、冷卻水入口溫度以及出口溫度。冷板的溫度由冷卻系統(tǒng)供給溫度恒定的冷卻水來(lái)保證。冷板尺寸與熱板尺寸相同，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 冷板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of cold plate structure

冷板表面加裝防結(jié)露的橡膠蓋板，并固定在外殼蓋上。使用時(shí)，借助絲杠上下移動(dòng)，還可以根據(jù)需要改變壓緊的壓力大小。

在冷板的入水口及出水口加裝溫度傳感器及流量傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度及流量參數(shù)計(jì)算冷板帶走的熱量。

5.4 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)保障熱板與冷板產(chǎn)生穩(wěn)定的一維傳熱，由電源、溫度控制器、溫度傳感器和檢測(cè)儀表組成。通過(guò)穩(wěn)壓電源給主熱板加熱器加熱，使主熱板溫度上升；通過(guò)監(jiān)測(cè)主熱板和側(cè)面保護(hù)熱板、主熱板和底部保護(hù)熱板之間的溫度差，將溫差信號(hào)輸入到溫度控制器,溫度控制器控制對(duì)側(cè)面保護(hù)熱板和底部保護(hù)熱板各自加熱的電源，使得主熱板與側(cè)面保護(hù)熱板及底部保護(hù)熱板的溫差小于0.1℃，如圖5所示。

圖5 溫度控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic diagram of temperature control system

控制系統(tǒng)采用高精度測(cè)量、閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中的反饋測(cè)量直接影響溫度控制的穩(wěn)定性，本項(xiàng)目高精度溫度傳感器作為反饋元件的方式，采用PID控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度控制，使保護(hù)熱板對(duì)主熱板的溫度跟蹤小于0.1℃。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)熱阻式熱流傳感器的校準(zhǔn)方法——保護(hù)熱板法進(jìn)行了研究，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)及各部分功能進(jìn)行了描述。保護(hù)熱板法作為國(guó)際上通用的用于熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)的方法得到了廣泛的應(yīng)用，項(xiàng)目研究可實(shí)現(xiàn)熱阻式熱流傳感器量值的準(zhǔn)確傳遞，也可以在節(jié)能減排工作中發(fā)揮作用，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。