CN103512682B - 一种薄片阵列热流传感器 - Google Patents

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本发明公开了一种薄片阵列热流传感器，包括热流感知片、阵列式热电堆和法兰盘，阵列式热电偶堆包括两排以上导热层，每排导热层包括一个热障层和由两个以上被折弯成几字形的热电偶连接组成的导热体，导热体中相邻两个热电偶的接点两端为不同极性的热偶材料，导热体竖直部分固定在所述热障层内，导热体竖直部分上下两端的水平部分分别固定在所述热障层上表面和下表面；所有导热层的导热体通过引线串联。本发明的阵列热流传感器能够在高温环境下测量热流，其突出的优点是可以利用热障层的上下表面温差来直接计算热流，大大提高了热流测试的准确性；阵列式热电偶堆的独特设计使测试信号得到数倍的放大，提高了传感器的测试精度。

Description

一种薄片阵列热流传感器
技术领域
本发明涉及热流传感器领域,特别是一种薄片阵列热流传感器。
背景技术
目前常用热流传感器的有温升法热流传感器和温差法热流传感器。温升法热流传感器通过测量不同设定点的温度来推算热流数值，虽然经过多年的数学模型改进与测量方法的优化，但其计算冗繁且精度不高的缺点仍十分明显。温差法热流传感器利用热障层的温度差来输出信号计算热流值，在计算过程及精度上有大的提高，但存在信号输出较小，杂散信号的干扰对后期滤波处理提出了很大的挑战，成为热流测量精度提高的障碍。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种测试信号较强、热流计算过程简单、精度较高的薄片阵列热流传感器，提高热流测量精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种薄片阵列热流传感器，包括热流感知片和法兰盘，所述法兰盘上设有两列高度相同的突起，所述两列突起之间的法兰盘上设置有与所述突起高度相同的阵列式热电偶堆；所述阵列式热电偶堆包括两排以上导热层，每排导热层包括一个热障层和由两个以上热电偶连接组成的导热体；每个热电偶包括平行的两竖直部分，所述两竖直部分底端由横置部分连接，两竖直部分顶端均设有用于连接相邻热电偶的横置连接部分；所述导热体中热电偶的数量与所述导热层排数相同，所述导热体中相邻两个热电偶的接点两端为不同极性的热偶材料，所述导热体竖直部分固定在所述热障层内，所述导热体竖直部分上下两端的水平部分分别固定在所述热障层上表面和下表面；所有导热层的导热体通过引线串联；所述热流感知片固定在所述两个突起上，且与所述导热层上端接触。
作为优选方案，所述阵列式热电偶堆包括5排导热层，每一排导热层包括5个热电偶，使测试信号得到数倍的放大，提高传感器的测试精度。
作为优选方案，所述热流感知片背面边缘焊接在所述突起上，且所述热流感知片由不锈钢材料制成，厚度为0.3mm，其表面涂覆有黑色耐高温涂层，该涂层可以是耐高温漆或者耐高温氧化物涂层，热流感知片对阵列式热电偶堆的热电材料起到保护的作用，使表面感知的热量能迅速的传递给阵列式热电偶堆，从而进行信号输出。
作为优选方案，所述法兰盘上开设有安装孔，便于将本发明的传感器安装到别的设备上。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的传感器用热流感知片代替现有的丝状热流感知部件，使得传感器的响应速度提高了10倍左右；本发明的阵列式热传感器能够在高温环境下测量热流，可以利用热障层的上下表面温差来直接计算热流，大大提高了热流测试的准确性；阵列式热电偶堆的独特设计使测试信号得到数倍的放大，同时热流计算过程简单，提高了传感器的测试精度；本发明可用于发动机燃烧室内壁面或高速飞行器热流与气动热热流密度的测量，冶金、锅炉等行业加热炉内壁面的热流的测量以及各种小功率加热设备等的热流测量。
附图说明
图1为本发明一实施例剖视图；
图2为将图1拆开后的示意图；
图3为本发明一实施例阵列式热电偶堆俯视图；
图4为本发明一实施例阵列热流传感器单排热电偶及釉料封装结构的剖视图；
图5为本发明一实施例热电偶折弯后的形状示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例包括热流感知片1和法兰盘5，所述法兰盘5上设有两列高度相同的突起2，所述两列突起2之间的法兰盘5上设置有与所述突起2高度相同的阵列式热电偶堆3；所述阵列式热电偶堆包括5排导热层，每排导热层包括一个热障层3和由5个热电偶连接组成的导热体4，每个热电偶包括平行的两竖直部分11，所述两竖直部分11底端由横置部分12连接，两竖直部分11顶端均设有用于连接相邻热电偶的横置连接部分13、14（见图4）；所述导热体4中相邻两个热电偶的接点两端为不同极性的热偶材料，所述导热体4竖直部分固定在所述热障层3内，所述导热体4竖直部分上下两端的水平部分分别固定在所述热障层3上表面和下表面；所有导热层的导热体4通过引线7串联；所述热流感知片1固定在所述两个突起2上，且与所述导热层上端接触。
热流感知片为不锈钢薄片制成，厚度为0.3mm，表面涂覆黑色耐高温涂层，该涂层可以是耐高温漆或者耐高温氧化物涂层；热流感知片与阵列式热电偶堆紧密接触，利用激光焊接成一体；阵列式热电偶堆包括弯折成规则折线的K型热电偶薄片条带，K型热电偶薄片条带中空部位填充高温釉料并与K型热电偶薄片条带烧结成一体。法兰盘上的突起2与热流感知片边缘部分焊接在一起，使整个热流传感器封装成一体。
如图2所示，热电偶堆（热电堆）由5排电偶材料串联而成，每排有10个热电偶接点8，总计阵列式热电偶堆由50个热电偶接点组成，测试信号由引线分别从热电堆两端引出。
如图3所示阵列式热电堆热电偶接点8在折线的顶端与底端交替出现，并且热电材料的正负极材料交替出现，即热接点两端为不同极性的热电偶材料，以K型热电偶材料为例，正极的镍铬合金9和负极的镍硅合金10交替出现，一个热接点两端的镍铬合金9和镍硅合金材料10组成一个热电偶。热电偶材料的中空部位填充釉料并高温烧结，这样使热电堆材料与热障层釉料封装在一起，形成导热层，该封装结构（即导热层）厚度为2.5mm。
薄片阵列热流传感器热电偶堆热电材料可以为镍铬-铜镍的E型热偶材料、镍铬硅-镍硅的N型热偶材料、铁-铜镍的J型热偶材料、纯铜-铜镍的T型热偶材料、镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料和钨铼热电偶材料。具体的选择根据热流传感器的使用温度及信号输出要求决定。
在测量热流阶段，图3所示的热电偶堆折线顶端与底端的热电偶由于釉料热障层的热阻作用形成温差，从而输出电压信号，同一排热电堆结构由5对热电差异的热电偶接点组成（每一对热电差异的热偶接点由顶端热偶和底端热偶2个热偶接点组成），整个热电偶堆有5排导热层组成，因此阵列式热电偶堆的独特设计使测试信号得到数倍的放大，提高了传感器的测试精度。
在扩展的阵列式热电偶堆设计中，同一排热电堆结构由8对热电差异的热电偶接点组成（每一对热电差异的热偶接点由顶端热偶和底端热偶2个热偶接点组成），整个热电偶堆由8排热电偶结构组成，此即所谓的热电偶堆8×8设计，类似的还有4×4，10×10等。
薄片阵列热流传感器法兰盘为不锈钢材料组成，法兰盘的上部突出部分尺寸与热电堆的高度吻合，将法兰盘上的突起2与热流感知片1的背面边缘进行焊接，完成热流传感器的封装。
本发明的高温环境下测量热流的方法：包括以下步骤：
（1）根据热传导方程当热流矢量方向与等温面垂直，则有：
式中：q为热流密度（传感器测量得到的物理量）；dT/dX为垂直于传感器等温面方向的温度梯度；k为热障层材料的导热系数；如果温度为T1和T2的两个等温面平行时：根据模型计算得出：
其中ΔT为两等温面温差；ΔX为两等温面之间的距离。
（2）热流通过阵列热流传感器热电堆时，传感器的信号输出Vt与热障层的温差、热电堆电压信号放大倍数N（热电偶的对数）及赛贝克系数Se的关系为：
根据热流密度与信号输出的关系，热流密度表述为
，
其中k为热障层材料釉料的导热系数，Vt为热电堆电压信号输出，ΔX为釉料热障碍层的厚度（本实施例中为2.5mm），Se为热电偶材料的赛贝克系数。
本实施例热电偶堆信号放大倍数N=5×5 =25。
在热流的测试过程中，根据热电偶堆电压信号的输出就可以计算出外界施加的热流密度的大小，同时从热电偶堆信号放大倍数的计算可以看出，该热电偶堆的结构设计使传感器信号输出数十倍的增加，对传感器的测量精度的提高有较大的作用。
热流信号由信号引线输出，信号强度为毫伏量级。因此本发明的阵列式热流传感器可以配合毫伏检测仪，例如万用表、信号采集仪表等使用。

Claims (9)

1.一种薄片阵列热流传感器，包括热流感知片（1）和法兰盘（5），其特征在于，所述法兰盘（5）上设有两列高度相同的突起（2），所述两列突起（2）之间的法兰盘（5）上设置有与所述突起（2）高度相同的阵列式热电偶堆（3）；所述阵列式热电偶堆包括两排以上导热层，每排导热层包括一个热障层（3）和由两个以上热电偶连接组成的导热体（4）；每个热电偶包括平行的两竖直部分（11），所述两竖直部分（11）底端由横置部分（12）连接，两竖直部分（11）顶端均设有用于连接相邻热电偶的横置连接部分（13,14）；所述导热体（4）中热电偶的数量与所述导热层排数相同，所述导热体（4）中相邻两个热电偶的接点两端为不同极性的热偶材料，所述导热体（4）竖直部分固定在所述热障层（3）内，所述导热体（4）竖直部分上下两端的横置连接部分（13、14）和横置部分（12）分别固定在所述热障层（3）上表面和下表面；所有导热层的导热体（4）通过引线串联；所述热流感知片（1）固定在所述两个突起（2）上，且与所述导热层上端接触。
2.根据权利要求1所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述阵列式热电偶堆包括5排导热层，每一排导热层包括5个热电偶。
3.根据权利要求1或2所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述热流感知片（1）背面边缘焊接在所述突起（2）上。
4.根据权利要求3所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述热流感知片（1）由不锈钢材料制成，厚度为0.3mm。
5.根据权利要求2所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述导热层厚度为2.5mm。
6.根据权利要求1所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述热障层（3）由釉料高温烧结而成。
7.根据权利要求1所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述热电偶为K型热电偶。
8.根据权利要求4所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述热流感知片（1）表面涂覆有黑色耐高温涂层。
9.根据权利要求1所述的薄片阵列热流传感器，其特征在于，所述法兰盘（5）上开设有安装孔（6）。
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