CN103217233B - 一种相变储热式热流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变储热式热流传感器，主要由壳体、上盖、下盖、后盖、相变储热体、表面涂黑的康铜圆箔片、镍铬丝、热电偶、四孔氧化铝瓷管等组成，康铜圆箔片与两根镍铬丝构成测量端面敏感体，与上盖焊接后，上盖再与壳体焊接；旋入储热体后，下盖与壳体焊接；康铜圆箔片处的两根镍铬丝和热电偶穿过四孔氧化铝瓷管后，经后盖紧固引出；本发明传感器采用相变储热原理，显著的延长了工作时间；采用了E型差分热电偶，大大提高了测量端面的耐高温能力；采用热电偶，在测量端头部分加入了温度监测，避免了测量端头部分熔化、烧毁等情况的发生。
Description
技术领域
本发明属于热流、温度测量领域，具体涉及一种相变储热式热流传感器。
背景技术
随着科学技术的不断发展，能源问题的日益突出，节能降耗工作的不断开展，热流检测的理论和技术越来越受到重视，热流传感器得到了广泛应用。
经典的热流传感器原理结构如图1所示，采用该原理结构的热流传感器又称GARDON计（戈登计）。其测量原理：作为敏感元件的康铜圆箔，其表面上涂黑以利于吸收热通量。圆柱形传感器内部铜热沉与康铜圆箔构成T型（铜-康铜）热电偶，康铜圆箔与其中心的铜引线构成另一对T型（铜-康铜）热电偶，上述两对热电偶构成差分T型热电偶。入射的热流被康铜圆箔吸收后，沿圆箔径向铜热沉传导热量。康铜圆箔因其薄而导热快，铜热沉因其尺寸厚而导热慢，从而在康铜圆箔中心与铜热沉之间建立起与入射热流成正比的温差，此时差分T型热电偶信号与热通量成正比。传感器的热流值可通过式（1）计算。
q=K×V (1)
式中：q为测量热流；K为灵敏度，K值可通过校准试验得到；V为差分T型热电偶信号。
热流传感器在测量时，其测量端面不断吸收热量，在无法采用水冷、风冷等冷却手段时，需采用自身储热的方式工作，一般采用高熔点金属块进行储热，其工作时间较短；传统热流传感器的敏感元件采用T型差分热电偶，其温度上限仅为350℃，测量端面耐高温能力差；传统热流传感器无法对测量端头部分的温度进行监测，在使用时，经常出现测量端头部分熔化、烧毁等情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种相变储热式热流传感器，该传感器显著延长了工作时间，大大提高了测量端面的耐高温能力，且避免了测量端头部分熔化、烧毁等情况的发生。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种相变储热式热流传感器，包括康铜圆箔片、镍铬丝、热电偶、上盖、壳体、相变储热体、四孔陶瓷管、下盖和后盖，其中四孔陶瓷管和上盖固定连接，热电偶丝穿过四孔陶瓷管的其中两个孔，两根镍铬丝穿过四孔陶瓷管的剩余两个孔，其中一根镍铬丝与康铜圆箔片的中心焊接，另一根镍铬丝与康铜圆箔片、上盖均焊接，上盖与壳体连接固定，相变储热体置于壳体中，下盖与壳体连接固定，穿过四孔陶瓷管的镍铬丝通过电缆焊接引出，穿过四孔陶瓷管的热电偶通过补偿导线引出，后盖与下盖连接固定，且后盖的空腔填充高温胶。
在上述相变储热式热流传感器中，相变储热体在180℃至250℃的温度范围内由固态熔化为液态，在相变时储存大量的热能。
在上述相变储热式热流传感器中，相变储热体为锡铅合金。
在上述相变储热式热流传感器中，相变储热体与壳体为螺纹连接，且相变储热体与下盖之间有2mm～3mm间隙。
在上述相变储热式热流传感器中，上盖与壳体焊接固定，下盖与壳体焊接固定，后盖与下盖采用螺钉固定，四孔陶瓷管和上盖通过高温胶粘接固定。
在上述相变储热式热流传感器中，上盖、壳体和下盖的材料为不锈钢或铜。
在上述相变储热式热流传感器中，热电偶丝为康铜-镍铬热电偶、镍铬-镍硅热电偶或铜-康铜热电偶。
在上述相变储热式热流传感器中，两根镍铬丝与康铜圆箔片构成康铜-镍铬热电偶，以测量敏感端康铜圆箔片的中心与边缘的温度差，进一步得到测量端面的热流值。
在上述相变储热式热流传感器中，传感器的安装具有法兰安装和螺纹安装两种方式。
在上述相变储热式热流传感器中，四孔陶瓷管为四孔氧化铝瓷管或四孔氮化硼瓷管；康铜圆箔片表面涂黑。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明传感器采用相变储热体进行储热，能显著延长传感器的工作时间，并保证测量端面敏感体工作在允许的温度范围内；现有的热流传感器在无法采用水冷、风冷等冷却手段时，需采用自身储热的方式工作，一般用高熔点金属块进行储热，其工作时间较短；本发明采用相变储热体进行储热，并通过大量试验对相变储热体进行了优选，在工作时储热体发生相变，能吸收更多的热量，因此，其工作时间能显著延长；
（2）本发明传感器的敏感元件采用了E型差分热电偶，大大提高了测量端面的耐高温能力；传统热流传感器的敏感元件采用T型差分热电偶，其温度上限仅为350℃，测量端面耐高温能力差；本发明E型差分热电偶温度上限为900℃，因此，大大提高了测量端面的耐高温能力；
（3）本发明传感器在测量端头部分加入了温度监测，避免了测量端头部分熔化、烧毁等情况的发生，提高了传感器的可靠性；
（4）本发明传感器的上盖、壳体、下盖和后盖的材料优选采用不锈钢材料，具有强度高、耐高温、耐腐蚀等特点；
（5）本发明传感器同时具有工作时间长、量程大、体积小、无需水冷、风冷、本体温度监测的特点，可用于飞行器底部燃气回流的热流测量，以及各种锅炉、钢炉、加热炉等高温炉体的热负荷测量，具有较强的实用性。
附图说明
图1为热流传感器的原理结构示意图；
图2为本发明传感器的原理和接线示意图；
图3为本发明传感器的结构示意图；
图4为本发明传感器的局部放大图（图3的局部放大图）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图3所示为本发明传感器的结构示意图，图4所示为本发明传感器的局部放大图，由图可知本发明传感器包括表面涂黑的康铜圆箔片1、镍铬丝2、热电偶3、上盖4、壳体5、相变储热体6、四孔陶瓷管7、下盖8、后盖9和高温胶10，其中四孔陶瓷管7和上盖4通过高温胶10粘接固定，热电偶丝3穿过四孔陶瓷管7的其中两个孔，两根镍铬丝2穿过四孔陶瓷管7的剩余两个孔，其中一根镍铬丝2与康铜圆箔片1的中心焊接，另一根镍铬丝2与康铜圆箔片1、上盖4均焊接，上盖4与壳体5焊接，相变储热体6置于壳体5中，下盖8与壳体5焊接，穿过四孔陶瓷管7的镍铬丝2通过电缆焊接引出，穿过四孔陶瓷管7的热电偶3通过补偿导线引出，后盖9与下盖8采用螺钉固定，且后盖9的空腔填充高温胶10。其中四孔陶瓷管7为四孔氧化铝瓷管或四孔氮化硼瓷管，上盖4、壳体5、下盖8、后盖9的材料均为不锈钢或铜。
本发明中相变储热体6在180℃至250℃的温度范围内由固态熔化为液态，在相变时储存大量的热能，本实施中相变储热体6采用锡铅合金，相变储热体6与壳体5为螺纹连接，且相变储热体6与下盖8之间有2mm～3mm间隙，用于消除相变储热体6的热胀冷缩对壳体5的影响。
本发明实施例中上盖4、壳体5、下盖8、后盖9的材料均为不锈钢，具有强度高、耐高温、耐腐蚀等特点。本实施例中高温胶10为105A型高温胶。本实施例中四孔陶瓷管7为四孔氧化铝瓷管。
如图2所示为本发明传感器的原理和接线示意图，本发明实施例中作为敏感元件的康铜圆箔，其表面上涂黑以利于吸收热通量。热流传感器的测量敏感端面由康铜圆箔片1和两根镍铬丝2组成，传感器康铜圆箔1与其中心的镍铬丝2引线构成一对E型（镍铬-康铜）热电偶，与康铜圆箔片1边缘和壳体5焊接的镍铬丝2构成另一对E型（镍铬-康铜）热电偶，上述两对热电偶构成差分E型热电偶，用于测量敏感端康铜圆箔片1的中心与边缘的温度差，根据该温度差可得到测量端面的热流值。入射的热流被康铜圆箔吸收后，沿圆箔径向壳体5传导热量，康铜圆箔因其薄而导热快，从而在康铜圆箔中心与其边沿建立起与入射热流成正比的温差，此时差分E型热电偶信号与热通量成正比。传感器的热流值可通过式（2）计算。
q=K×V (2)
式中：q为测量热流；K为灵敏度，K值可通过校准试验得到；V为差分E型热电偶信号。
如图2所示，与康铜圆箔片1中心焊接的镍铬丝2为热流信号输出的正极，与康铜圆箔片1边缘和壳体5均焊接的镍铬丝2为热流信号输出的负极。热电偶3用于监测测量端头的温度，可以为E型（即康铜-镍铬热电偶）、K型（即镍铬-镍硅热电偶）或T型（即铜-康铜热电偶），其正负极可参考相关资料确定。
本发明热流传感器的组装过程如下：
如图3、4所示，先用高温胶10将四孔氧化铝瓷管7和上盖4粘接固定，将热电偶丝3穿过四孔氧化铝瓷管7的其中两孔，将两根镍铬丝2穿过四孔氧化铝瓷管7的剩余两孔，其中的一根镍铬丝2与康铜圆箔片1的中心焊接，另一根镍铬丝2和康铜圆箔片1、上盖4均焊接，上盖4与壳体5焊接，将相变储热体6旋入壳体5，将下盖8与壳体5焊接，穿过四孔氧化铝瓷管7的镍铬丝2通过电缆焊接引出，穿过四孔氧化铝瓷管7的热电偶3通过补偿导线引出，将后盖9与下盖8用螺钉固定，后盖9的空腔用高温胶10填充。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种相变储热式热流传感器，其特征在于：包括康铜圆箔片(1)、镍铬丝(2)、热电偶(3)、上盖(4)、壳体(5)、相变储热体(6)、四孔陶瓷管(7)、下盖(8)和后盖(9)，其中四孔陶瓷管(7)和上盖(4)固定连接，热电偶丝(3)穿过四孔陶瓷管(7)的其中两个孔，两根镍铬丝(2)穿过四孔陶瓷管(7)的剩余两个孔，其中一根镍铬丝(2)与康铜圆箔片(1)的中心焊接，另一根镍铬丝(2)与康铜圆箔片(1)、上盖(4)均焊接，上盖(4)与壳体(5)连接固定，相变储热体(6)置于壳体(5)中，下盖(8)与壳体(5)连接固定，穿过四孔陶瓷管(7)的镍铬丝(2)通过电缆焊接引出，穿过四孔陶瓷管(7)的热电偶(3)通过补偿导线引出，后盖(9)与下盖(8)连接固定，且后盖(9)的空腔填充高温胶(10)；所述相变储热体(6)为锡铅合金，且所述相变储热体(6)在180℃至250℃的温度范围内由固态熔化为液态，在相变时储存大量的热能。
2.根据权利要求1述的一种相变储热式热流传感器，其特征在于：所述相变储热体(6)与壳体(5)为螺纹连接，且相变储热体(6)与下盖(8)之间有2mm～3mm间隙。
3.根据权利要求1所述的一种相变储热式热流传感器，其特征在于：所述上盖(4)与壳体(5)焊接固定，下盖(8)与壳体(5)焊接固定，后盖(9)与下盖(8)采用螺钉固定，四孔陶瓷管(7)和上盖(4)通过高温胶(10)粘接固定。
4.根据权利要求1所述的一种相变储热式热流传感器，其特征在于：所述上盖(4)、壳体(5)和下盖(8)的材料为不锈钢或铜。
5.根据权利要求1所述的一种相变储热式热流传感器，其特征在于：所述热电偶丝(3)为康铜-镍铬热电偶、镍铬-镍硅热电偶或铜-康铜热电偶。
6.根据权利要求1所述的一种相变储热式热流传感器，其特征在于：所述两根镍铬丝(2)与康铜圆箔片(1)构成康铜-镍铬热电偶，以测量敏感端康铜圆箔片(1)的中心与边缘的温度差，进一步得到测量端面的热流值。
7.根据权利要求1所述的一种相变储热式热流传感器，其特征在于：传感器的安装具有法兰安装和螺纹安装两种方式。
8.根据权利要求1所述的一种相变储热式热流传感器，其特征在于：所述四孔陶瓷管(7)为四孔氧化铝瓷管或四孔氮化硼瓷管；所述康铜圆箔片(1)表面涂黑。
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