CN103267773A - 一种双环热保护瞬态辐射热流计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双环热保护瞬态辐射热流计及测量方法，其特征是：在中心热敏感片的外围、处于同一水平面上、呈同心圆环、由内向外依次间隔设置有内热保护环和外热保护环呈一圆盘，由圆盘、管体和底板形成一柱腔；在柱腔内设置有多层隔热组件，多层隔热组件与圆盘之间存在有间隙，使多层隔热组件与中心热敏感片不接触；在中心热敏感片的底面贴附第一温度传感器；在多层隔热组件紧邻圆盘的第一隔热层的背面贴附第二温度传感器。本发明能提高瞬态热流计吸热面温度分布均匀性和测量精度。

Description

一种双环热保护瞬态辐射热流计及测量方法

技术领域

本发明涉及辐射热流测量领域，具体为一种在真空环境下测量辐射热流密度的瞬态辐射热流计。 

背景技术

辐射热流计是研究辐射换热的重要测量工具，在太阳能利用、空间技术、气象研究、工业、冶金、能源动力、建筑空调、医疗卫生等领域中都有广泛应用。尤其是在真空环境下，物体壁面间的传热是以热辐射的形式传递，因此当需要测量辐射传热的热流密度时就需要使用辐射热流计。目前辐射热流计主要分为稳态型热流计和瞬态型热流计。稳态型热流计依据热平衡原理设计，动态响应特性差，稳定时间要数分钟以上，难以准确实时测量瞬态辐射热流。瞬态型热流计可分为热响应式和光电响应式，热响应式的吸热面通常由热容量极小的薄膜或热电堆制成，因此可以在短时间内达到稳态，但工艺较为复杂，易损坏，同时由于吸热面侧面热损而使得吸热面温度分布不均匀，因此难以达到较高的精度。光电响应式是以光电元件的光电效应将入射的热辐射转换为电信号进行测量，瞬态响应极快，但由于光电材料对热辐射的响应有光谱选择性，因此具有不同光谱分布的辐射热流需要用不同类型的光电材料，而且辐射面的发射率和温度会对光谱分布产生影响，从而影响光电式辐射热流计测量精度。 

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种双环热保护瞬态辐射热流计及测量方法，以提高瞬态热流计吸热面温度分布均匀性和测量精度。 

本发明为解决技术问题采用如下技术方案： 

本发明双环热保护瞬态辐射热流计的结构特点是：在中心热敏感片的外围、处于同一水平面上、呈同心圆环、由内向外依次间隔设置有内热保护环和外热保护环呈一圆盘,所述圆盘支撑在管体的顶端，在所述管体的底部设置有底板，由所述圆盘、管体和底板形成一柱腔；在所述柱腔内的底板上设置有多层隔热组件，所述多层隔热组件与所述圆盘之间存在有间隙，使所述多层隔热组件与中心热敏感片不接触，以减小中心热敏感片、内热保护环和外热保护环的背面的辐射热损；所述中心热敏感片、内热保护环和外热保护环是由相同材质的金属片制成，上表面均匀涂覆有相同材质的黑色吸热涂层；在所述中心热敏感片的底面贴附第一温度传感器；在所述多层隔热组件紧邻圆盘的第一隔热层的背面贴附第二温度传感器。 

本发明双环热保护瞬态辐射热流计的结构特点也在于： 

所述多层隔热组件是以涤纶网和具有低发射率和高反射率的隔热薄膜一一间隔叠加而 成，位于所述多层隔热组件的第一层为具有低发射率和高反射率的隔热薄膜。 

在所述管体的外侧镀有具有低发射率和高反射率的管体膜层，或是贴附具有低发射率和高反射率的隔热薄膜，以减少管体的侧面辐射换热。 

本发明双环热保护瞬态辐射热流计的测量方法的特点是： 

通过实时检测分别获得第一温度传感器的检测温度、第二温度传感器的检测温度，以及环境温度，由式(1)计算得到待测瞬态辐射热流密度q"： 

$q^{\′\′}=C_1\frac{T_1-{T^{\′}}_1}{\mathrm{\Δt}}+C_2\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_0}^4)+C_3\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_2}^4)---\left(1\right)$

式(1)中： 

σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数：5.67×10^-8Wm^-2K^-4； 

T₁'为第一温度传感器在t1时刻的温度检测值； 

T₁和T₂分别为第一温度传感器和第二温度传感器在t2时刻的温度检测值； 

Δt为t1时刻和t2时刻的时间间隔； 

T₀为在t2时刻的环境温度； 

C₂=ε/α，α和ε分别是通过分光光度计和傅里叶红外光谱仪测量获得的中心热敏感片(1)上表面黑色吸热涂层的吸收率α和发射率ε； 

C₁和C₃通过标定获得，标定方法是：使用标准黑体炉作为标准辐射源，提供辐射热流密度q"_标为恒定且已知大小的辐射热流照射至权利要求1所述双环热保护瞬态辐射热流计中圆盘的上表面，使其升温并达到稳态，所述稳态是指式(1)中的T₁'与T₁为相等，利用稳态时测量得到的T₀、T₁和T₂，结合已得到的C₂通过式(1)计算获得C₃；再以达到稳态之前中心热敏感片升温过程的T₀、T₁、T₁'和T₂结合q"_标和已经得出的C₂、C₃通过式(1)计算得到C₁。 

与已有技术相比，本发明有益效果体现在： 

1、本发明中内热保护环和外热保护环在测量时与中心热敏感片接受同样的辐射热流，温度与中心热敏感片的温度同步变化，从而减小了中心热敏感片的侧向热损，提高了中心热敏感片的温度均匀性，使得第一温度传感器测得的温度可以代表整个中心热敏感片的温度。 

2、本发明中第二温度传感器贴附在多层隔热组件紧邻圆盘的第一隔热层的底面，因此可以通过平面间辐射换热公式直接计算中心热敏感片的背面辐射热损，对辐射热流密度进行修正。 

3、本发明可测量瞬态辐射热流密度，响应时间短、测量精度高。 

附图说明

图1为本发明双环热保护瞬态热流计结构示意图； 

图2为本发明双环热保护瞬态热流计俯视示意图； 

图中标号：1中心热敏感片，2内热保护环，3外热保护环，4管体，5底板，6多层隔热组件，7第一温度传感器，8第二温度传感器。 

具体实施方式

参见图1、图2，本实施例中双环热保护瞬态辐射热流计的结构形式是：在中心热敏感片1的外围、处于同一水平面上、呈同心圆环、由内向外依次以不大于1mm的间隔设置有内热保护环2和外热保护环3呈一圆盘,所述圆盘支撑在管体4的顶端，在所述管体4的底部设置有底板5，由所述圆盘、管体4和底板5形成一柱腔；在所述柱腔内的底板5上设置有多层隔热组件6，所述多层隔热组件6与所述圆盘之间存在有间隙，使所述多层隔热组件6与中心热敏感片1不接触，以减小中心热敏感片1、内热保护环2和外热保护环3的背面的辐射热损；所述中心热敏感片1、内热保护环2和外热保护环3是由相同材质的金属片制成，上表面均匀涂覆有相同材质的黑色吸热涂层；在所述中心热敏感片1的底面贴附第一温度传感器7；在所述多层隔热组件6紧邻圆盘的第一隔热层的背面贴附第二温度传感器8。 

具体实施中，多层隔热组件6是以涤纶网和具有低发射率和高反射率的隔热薄膜一一间隔叠加而成，位于所述多层隔热组件6的第一层为具有低发射率和高反射率的隔热薄膜；在所述管体4的外侧镀有具有低发射率和高反射率的管体膜层，或是贴附具有低发射率和高反射率的隔热薄膜，以减少管体4的侧面辐射换热； 

低发射率和高反射率的隔热薄膜是指发射率不高于0.15，反射率不低于0.85，例如双面镀铝聚酰亚胺薄膜，其发射率为0.1，反射率为0.9。 

低发射率和高反射率的管体膜层是指发射率不高于0.15，反射率不低于0.85，例如镀铝膜层，其发射率为0.1，反射率为0.9。 

中心热敏感片1、内热保护环2和外热保护环3可以在加工时通过激光刻蚀或线切割的方式留出至少三处宽度不大于1mm连接点，直接制成一体，也可分别加工后通过金属丝线粘接固定。 

本实施例中双环热保护瞬态辐射热流计的测量方法是： 

通过实时检测分别获得第一温度传感器的检测温度、第二温度传感器的检测温度，以及环境温度，由式(1)计算得到待测瞬态辐射热流密度q"： 

$q^{\′\′}=C_1\frac{T_1-{T^{\′}}_1}{\mathrm{\Δt}}+C_2\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_0}^4)+C_3\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_2}^4)---\left(1\right)$

式(1)中： 

σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数：5.67×10^-8Wm^-2K^-4； 

T₁'为第一温度传感器在t1时刻的温度检测值； 

T₁和T₂分别为第一温度传感器和第二温度传感器在t2时刻的温度检测值； 

Δt为t1时刻和t2时刻的时间间隔；关于Δt的取值：若是被测量的瞬态热流变化比较缓慢，则Δt可以设置大些，具体为10秒或20秒，如果变化较快，则Δt可以设置得小些，具体为1秒，甚至为0.2秒等。 

T₀为在t2时刻的环境温度； 

C₂=ε/α，α和ε分别是通过分光光度计和傅里叶红外光谱仪测量获得的中心热敏感片(1)上表面黑色吸热涂层的吸收率α和发射率ε； 

C₁和C₃通过标定获得，标定方法是：使用标准黑体炉作为标准辐射源，提供辐射热流密度q"_标为恒定且已知大小的辐射热流照射至权利要求1所述双环热保护瞬态辐射热流计中圆盘的上表面，使其升温并达到稳态，所述稳态是指式(1)中的T₁'与T₁为相等，稳态时，第一温度传感器和第二温度传感器的温度检测值均不随时间变化，利用稳态时测量得到的T₀、T₁和T₂，结合已得到的C₂通过式(1)计算获得C₃；再以达到稳态之前中心热敏感片升温过程的T₀、T₁、T₁'和T₂结合q"_标和已经得出的C₂、C₃通过式(1)计算得到C₁； 

对于本发明瞬态热流计，在任一时刻，中心热敏感片的黑色吸热涂层所吸收的外界辐射能量等于自身温升存储的能量、黑色吸热涂层向外辐射的能量以及背面的辐射损失。因此，待测的辐射热流密度q"由如下式(11)获得： 

$q^{\′\′}=\frac{1}{\mathrm{\α}{A}_1}[{\mathrm{mc}}_p\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ϵ\σ}{A}_1({T_1}^4-{T_0}^4)+\frac{\mathrm{\σ}{A}_1({T_1}^4-{T_2}^4)}{(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1)+\frac{1}{X_{\mathrm{1,2}}}+\frac{A_1}{A_2}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}-1)}]---\left(11\right)$

式(11)中： 

A₁为中心热敏感片1上黑色吸热涂层的面积； 

A₂为与中心热敏感片1的底面相对的多层隔热组件6的上表面面积； 

α和ε分别是通过分光光度计和傅里叶红外光谱仪测量获得的中心热敏感片1上表面黑色吸热涂层的吸收率α和发射率ε 

ε₁为中心热敏感片1的底面的发射率； 

ε₂为多层隔热组件6中第一层隔热薄膜的发射率； 

mc_p为中心热敏感片1的热容； 

T₀为需要测量辐射热流密度的真空环境温度，单位为K，由环境温度传感器测量得到； 

T₁和T₂是第一温度传感器和第二温度传感器同时测得的检测温度，单位为K； 

X₁₂为中心热敏感片1与多层隔热组件6中第一隔热层的视角系数； 

σ=5.67×10^-8Wm^-2K^-4为斯蒂芬-波尔兹曼常数。 

通过对式(11)进行整理得式（12）为： 

$q^{\′\′}=\frac{{\mathrm{mc}}_p}{\mathrm{\α}{A}_1}\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{\ϵ\σ}}{\mathrm{\α}}({T_1}^4-{T_0}^4)+\frac{\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_2}^4)}{\mathrm{\α}[(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1)+\frac{1}{X_{\mathrm{1,2}}}+\frac{A_1}{A_2}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}-1)]}---\left(12\right)$

$=C_1\frac{T_1-T_1^{\′}}{\mathrm{\Δt}}+C_2\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_0}^4)+C_3\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_2}^4)$

在式（11）中第一温度传感器所测温度对时间的微分dT1/dt代表温度T1随时间的变化率，在实际计算时转换为使用第一温度传感器所测温度值T₁对时间的差分值来代替微分值，即当时数据采集时刻的T1与上一数据采集时刻的T1’之差除以数据采集时间间隔Δt。 

以上式(12)即为式(1)的表征形式，式中C₁、C₂、C₃为热流计测头常数，C₂通过测量中心热敏感片的黑色吸热涂层的吸收率α和发射率ε计算得到；C₁和C₃通过标准热流计、标准辐射热流，如黑体炉标定；Δt为数据采集时间间隔；T₁’为第一温度传感器在前一时刻所测得的温度。 

使用中，将本发明热流计固定在需要测量辐射热流密度的壁面上或空间中，黑色吸热涂层所在一面朝向所要测量的辐射热流的入射方向。将第一温度传感器、第二温度传感器以及用于测量热流计所处环境温度的环境温度传感器的引线接入数据采集仪，设定数据采集时间间隔Δt，然后实时记录温度T₀，T₁，T₂，并由式(12)计算得到待测瞬态辐射热流密度q”。 

Claims (4)

1.一种双环热保护瞬态辐射热流计，其特征是：在中心热敏感片(1)的外围、处于同一水平面上、呈同心圆环、由内向外依次间隔设置有内热保护环(2)和外热保护环(3)呈一圆盘,所述圆盘支撑在管体(4)的顶端，在所述管体(4)的底部设置有底板(5)，由所述圆盘、管体(4)和底板(5)形成一柱腔；在所述柱腔内的底板(5)上设置有多层隔热组件(6)，所述多层隔热组件(6)与所述圆盘之间存在有间隙，使所述多层隔热组件(6)与中心热敏感片(1)不接触，以减小中心热敏感片(1)、内热保护环(2)和外热保护环(3)的背面的辐射热损；所述中心热敏感片(1)、内热保护环(2)和外热保护环(3)是由相同材质的金属片制成，上表面均匀涂覆有相同材质的黑色吸热涂层；在所述中心热敏感片(1)的底面贴附第一温度传感器(7)；在所述多层隔热组件(6)紧邻圆盘的第一隔热层的背面贴附第二温度传感器(8)。

2.根据权利要求1所述的双环热保护瞬态辐射热流计，其特征是：所述多层隔热组件(6)是以涤纶网和具有低发射率和高反射率的隔热薄膜一一间隔叠加而成，位于所述多层隔热组件(6)的第一层为具有低发射率和高反射率的隔热薄膜。

3.根据权利要求1所述的双环热保护瞬态辐射热流计，其特征是：在所述管体(4)的外侧镀有具有低发射率和高反射率的管体膜层，或是贴附具有低发射率和高反射率的隔热薄膜，以减少管体(4)的侧面辐射换热。

4.一种权利要求1所述双环热保护瞬态辐射热流计的测量方法，其特征是：

通过实时检测分别获得第一温度传感器的检测温度、第二温度传感器的检测温度，以及环境温度，由式(1)计算得到待测瞬态辐射热流密度q"：

$q^{\′\′}=C_1\frac{T_1-{T^{\′}}_1}{\mathrm{\Δt}}+C_2\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_0}^4)+C_3\mathrm{\σ}({T_1}^4-{T_2}^4)---\left(1\right)$

式(1)中：

σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数：5.67×10^-8Wm^-2K^-4；

T₁'为第一温度传感器(7)在t1时刻的温度检测值；

T₁和T₂分别为第一温度传感器(7)和第二温度传感器(8)在t2时刻的温度检测值；

Δt为t1时刻和t2时刻的时间间隔；

T₀为在t2时刻的环境温度；

C₂=ε/α，α和ε分别是通过分光光度计和傅里叶红外光谱仪测量获得的中心热敏感片(1)上表面黑色吸热涂层的吸收率α和发射率ε；

C₁和C₃通过标定获得，标定方法是：使用标准黑体炉作为标准辐射源，提供辐射热流密度q"_标为恒定且已知大小的辐射热流照射至权利要求1所述双环热保护瞬态辐射热流计中圆盘的上表面，使其升温并达到稳态，所述稳态是指式(1)中的T₁'与T₁为相等，利用稳态时测量得到的T₀、T₁和T₂，结合已得到的C₂通过式(1)计算获得C₃；再以达到稳态之前中心热敏感片升温过程的T₀、T₁、T₁'和T₂结合q"_标和已经得出的C₂、C₃通过式(1)计算得到C₁。