CN104048767A - 条形箔式瞬态辐射热流计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应非接触测量热流密度的热流计，包括涂黑条形金属箔，铜热沉体，铜导线，信号处理等部分，本发明敏感面条形的设计减小了热流计体积，使易于串联做成热电堆，并提高了热流计的灵敏度和输出信号电压，实现了精确的测量低热流密度情况下的瞬态辐射热流，本发明公开的条形箔式热流传感器结构简单、坚固，且易于制造和价格低廉；测量热流范围宽；与光谱性质无关，提高了同样热流密度测量条件下的灵敏度和准确度，更适用于低热流密度条件下的测量，响应时间响应可达10毫秒以内；产生的信号可以不用放大，能直接用数字电压表或电子电位差计记录，具有较好稳定性和重复性，并易串联成热电堆结构。

Description

条形箔式瞬态辐射热流计

技术领域

本发明涉及热流测量领域，具体来说，是一种用于太空或大气环境下，非接触测量热流密度的热流计。

背景技术

辐射热流计是可以通过非接触测量被测对象的辐射热流密度、表面温度及环境温度等物理量，从而确定蒸汽锅炉、均热炉、输热管道等设备外壁面热泄漏的仪表。辐射热流计在太阳能、空间技术、气象、工业、冶金、能源、动力、空调等领域中都有重要的应用，热流检测的理论和技术越来越受到重视。在很多情况下需要准确测定瞬态辐射热流，用稳态热流计不能准确测量，为了提高对变动辐射流的测试精确度，需要高精度瞬态辐射热流计的研究。

常见的圆箔式辐射热流计，由于圆形敏感面与铜热沉体的接触面积较大，使得敏感面中心与热沉体温差较小，在低热流密度情况下，温差小敏感度低，测得误差较大，另外较多的热量会传导到热沉体，使热沉体温度上升，不利于长期工作。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种可以在真空或大气环境下，对各种热流密度大小进行准确测量的热流计。

本发明是一种瞬态非接触测量热流密度的热流计，条箔式热流传感器的信号产生部分为，具有高吸收率的涂黑康铜条形箔，铜热沉体，热节点，冷节点，引线。

如图1所示，康铜条形箔片厚度为S，长度为2L，宽度为D。这里设铜热沉体的温度T＝0，有一辐射热流q投射上去。

康铜条形箔厚度为0.01-0.03mm，康铜条形箔在某一宽度方向温度相同，或在某一厚度上温度相同。由于康铜条形箔的厚度S很薄，此时沿康铜条形箔厚度方向上的热梯度可以忽略的，即ΔT/ΔS＝0。

条形箔可以焊接或以其他方式安装到铜热沉体上。第一引线a焊到条形箔中心，第二引线b焊接到铜热沉体上，焊在条形箔中心的第一引线a与焊在铜热沉体上的第二引线b构成热电偶输出，第一引线和第二引线可以为铜引线或镍铬引线。

当热辐射投射到条形箔的表面上，这个辐射热使条形箔的温度升高。且沿着条形箔长度方向传到铜热沉体上，并通过铜热沉体耗散到周围环境中去。

当处于某一瞬时热平衡时，忽略中心线下的热损失，由于热量沿条形箔长度方向流动，条形箔中心的温度高于它边缘温度。这个温度差被由引线a—条形箔、引线b—铜热沉体—条形箔构成的热电偶检测并输出与之对应的电压信号。这个电压信号可以很容易地与投射在条形箔上的辐射通量q建立起函数关系，经过标定后，就可进行热流测量。

实现所需功能的测量系统包括：康铜条形箔的条形敏感面、铜热沉体、焊在条形箔中心的第一引线a与焊在铜热沉体上的第二引线b构成的热电偶、数据采集装置、数据处理与显示装置。铜-康铜热电偶传感器信号传到数据采集仪中，信号经放大A/D转换等处理转换成数字信号送入计算机，通过计算机软件编程控制数据采集仪，将温度信号传入并进行相应的数据处理与显示装置部分。

将条形金属箔两边装入热沉体滑轨中，通过驱动控制热沉体移动，可以减少或增加条形金属箔敏感面露出的长度，实现条形金属箔的热敏感面长度实时调节控制，以实现灵敏度和分辨率的调节。

本发明的优点在于：

1、本发明条形箔式瞬态辐射热流计，提升了同样热流密度测量条件下的灵敏度和分辨率，更适用于低热流密度的条件下测量，响应时间相应可达10毫秒以内；

2、本发明条形箔式瞬态辐射热流计，可以进一步缩小传感器的尺寸，并易于串联组合形成热电堆结构；

3、本发明条形箔式瞬态辐射热流计，结构简单、相当坚固，且易于制造和价格低廉，具有较好的稳定性和重复性；

4、本申请条形金属箔的热敏感面长度可以实时调节控制，可以灵活实现灵敏度和分辨率的调节。

附图说明

图1是本发明条形箔式瞬态辐射热流计，单个条形箔式传感器结构图；

图2是条形箔对称选取微元dx；

图3是本发明条形箔式瞬态辐射热流计，单个条形箔串联形成热电堆后的结构图；

图4是采用UG模拟计算圆形敏感面的温差结果；

图5是采用UG模拟计算条形敏感面的温差结果。

图中：

1涂黑康铜条形箔，2铜热沉体，3热节点，4冷节点，5铜导线。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来对本发明做进一步的详细说明。

本发明条形箔式瞬态辐射热流计，通过条形箔敏感面来感受热流的变化。如图2所示选取微元dx，条形箔式瞬态辐射热流计灵敏度方程式如下。某一瞬间某一微元处热平衡关系：

Q₁+Q_A＝Q₂+Q_S

其中：

Q₁为从条形金属箔中心线传导的热量，表达式为：

$Q_1=-\mathrm{\λ}\·A_1\·\frac{\∂T}{\∂x}{|}_x=-\mathrm{\λ}\·2D\·S\·\frac{\∂T}{\∂x}{|}_x$

式中，λ为条形金属箔的导热系数，A₁为微元横截面的面积，T为温度，x微元到中心距离，D为条形金属箔的宽度，S为条形金属箔的厚度；

Q_A为投射到条形金属箔上被吸收的热量，表达式为：

Q_A＝q·A＝q·2D·dx

式中A微元的上表面积；

Q₂为离开dx端传导到热沉体的热量，表达式为：

$Q_2=-\mathrm{\λ}\·A_1\·\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x+\mathrm{dx}}=-\mathrm{\λ}\·2D\·S\·\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x+\mathrm{dx}}$

Q_S为储存在dx段的热量，表达式为：

$Q_S=m\·C_P\·\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}{|}_{\mathrm{\τ}}=\mathrm{\ρ}\·2D\·\mathrm{dx}\·S\·C_P\·\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}{|}_{\mathrm{\τ}}$

式中，τ为时间，ρ为条形金属箔的密度，C_P为条形金属箔的比热容，m为微元的质量；

边界条件为：

τ＝0时：在O<x<L处T＝0

0<τ<∞时，在x＝L处T＝0

求解得到：

$\frac{E}{q}=0.3735324\frac{L^2}{S}$

式中：E/q是条形金属箔热流计的灵敏度公式,单位是mV/cal·cm^-2·s^-1，L是康铜条形金属箔的1/2长度,单位为cm，S是条形金属箔的厚度,单位为cm。该结果与传统的圆箔式热流计相比,在圆箔式热流计公式中R为敏感面的半径，S为厚度，正好与条形箔式热流计结果相差约一倍。比较直径为4mm的康铜圆箔热流计和长度为4mm的康铜条形箔热流计，厚度都为0.003cm，它们的铜热沉体都是直径10mm，在20℃的环境下，热流通量500W/m²的条件下，时间增量5秒后结果，圆箔式热流计中心点与热沉体的温差约为0.8℃，而条形箔式热流计中心点与热沉体温差约1.58℃。温差接近一倍，这与理论计算灵敏度一倍一致。在相同的电压分辨条件下，通过计算圆箔热流计的热流分辨率为16.71W/m²，条形箔式热流计的热流分辨率为8.37W/m²，相同尺寸条件下条形箔热流计具有更好灵敏度和分辨率。

通过相同尺寸的模拟分析计算也获得相差约一倍结果，具体过程如下：采用UG模拟分别计算条形敏感面与圆形敏感面的温度差，模拟条件为，在20℃环境下，辐射热流通量为500W/m²，瞬态计算时间增量5秒后。圆箔式热流计敏感面直径为0.4cm，条形箔式热流计敏感面总长度为0.4cm。

结果如附图4和附图5所示，在相同的热流密度条件下，因为敏感面与热沉体的接触面积区别，形成了不同的温度差，图4中圆箔式热流计温差约0.8℃，图5中条形箔式热流计温差约1.58℃，两者温差达到了一倍左右，这与理论计算灵敏度结果相一致。

Claims (7)

1.一种条形金属箔式瞬态辐射热流计，其特征在于，包括条形金属箔、金属热沉体、信号处理系统，条形金属箔的两侧通过焊接或非焊接的其它连接方式安装到金属热沉体上，第一引线焊接到条形金属箔中心，第二引线焊接到金属热沉体上，焊在条形金属箔中心的第一引线与焊在金属热沉体上的第二引线构成热电偶，所述的第一引线和第二引线可以为铜引线或镍铬等引线。

2.一种如权利要求1所述的条形金属箔式瞬态辐射热流计，其特征在于，所述的条形金属箔为涂黑康铜条形金属箔。

3.一种如权利要求1所述的条形金属箔式瞬态辐射热流计，其特征在于，所述的条形金属箔的热敏感面长度可以实时调节控制，以实现灵敏度和分辨率的调节。

4.一种如权利要求1所述的条形金属箔式瞬态辐射热流计，其特征在于，所述的金属热沉体为铜热沉体。

5.一种如权利要求1-3任一项所述的条形金属箔式瞬态辐射热流计，其特征在于，所述的信号处理系统包括数据采集仪与数据处理与显示装置。

6.一种串联式瞬态辐射热流计，其特征在于，将多个如权利要求1-5任一项所述的条形金属箔式瞬态辐射热流计进行串联形成热电堆，以增加输出温差电压，提高热流计灵敏度。

7.一种采用上述权利要求任一项所述的热流计进行辐射热流测量的方法，当热辐射投射到条形金属箔的表面上，辐射热使条形金属箔的温度升高，且沿着条形金属箔长度方向传到铜热沉体上，并通过热沉体耗散到周围环境中去，当处于某一瞬时热平衡时，由于热量沿条形金属箔长度方向流动，条形金属箔中心的温度高于它边缘温度，该温度差被由第一引线—条形金属箔、第二引线—铜热沉体—条形金属箔构成的热电偶检测并输出与之对应的电压信号，该电压信号与投射在条形金属箔上的辐射通量q建立起函数关系且经过标定，从而进行热流测量,其特征在于，具体计算方法如下：

某一瞬间某一微元处热平衡关系：

Q₁+Q_A＝Q₂+Q_S

其中：

Q₁为从条形金属箔中心线传导的热量，表达式为：

$Q_1=-\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;A_1\&CenterDot;\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;x}{|}_x=-\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;2D\&CenterDot;S\&CenterDot;\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;x}{|}_x$

式中，λ为条形金属箔的导热系数，A₁为微元横截面的面积，T为温度，x微元到中心距离，D为条形金属箔的宽度，S为条形金属箔的厚度；

Q_A为投射到条形金属箔上被吸收的热量，表达式为：

Q_A＝q·A＝q·2D·dx

式中A微元的上表面积；

Q₂为离开dx端传导到热沉体的热量，表达式为：

$Q_2=-\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;A_1\&CenterDot;\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;x}{|}_{x+\mathrm{dx}}=-\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;2D\&CenterDot;S\&CenterDot;\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;x}{|}_{x+\mathrm{dx}}$

Q_S为储存在dx段的热量，表达式为：

$Q_S=m\&CenterDot;C_P\&CenterDot;\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;\mathrm{\&tau;}}{|}_{\mathrm{\&tau;}}=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;2D\&CenterDot;\mathrm{dx}\&CenterDot;S\&CenterDot;C_P\&CenterDot;\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;\mathrm{\&tau;}}{|}_{\mathrm{\&tau;}}$

式中，τ为时间，ρ为条形金属箔的密度，C_P为条形金属箔的比热容，m为微元的质量；

边界条件为：

τ＝0时：在O<x<L处T＝0

0<τ<∞时，在x＝L处T＝0

求解得到：

$\frac{E}{q}=0.3735324\frac{L^2}{S}$

式中：E/q是条形金属箔热流计的灵敏度公式,单位是mV/cal·cm^-2·s^-1，L是康铜条形金属箔的1/2长度,单位为cm，S是条形金属箔的厚度,单位为cm。