CN109269682A - 一种热流传感器的标定装置和标定方法 - Google Patents

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Abstract

一种热流传感器的标定装置和标定方法，该标定装置包括能精确控温的冷板和热板，将被标定的热流传感器和标准热流传感器置于冷热板中间，采用热传导的方式对传感器进行标定。对标准传感器和被测传感器的输出进行数据采集并经过公式计算，得到被测传感器的灵敏度。本发明可以减小由涂黑层黑度系数引入的误差；避免响应时间差异引入的误差；标定范围宽，能够满足不同量程热流密度的标定需求；设备简单，易于实现，标定成本低；可以多台产品同时进行标定，增加标定效率。

Description

一种热流传感器的标定装置和标定方法
技术领域
本发明涉及一种热流传感器的标定装置和标定方法，属于传感器标定领域。
背景技术
热流传感器又称为热流计，用于测量热流密度，是研究热量传递的重要测量装置。标定是通过某种方法得到传感器的输出电压与入射热流之间的关系。
目前比较成熟的热流标定方法多采用辐射标定，采用辐射热流源同时向被标热流传感器和标准热流传感器提供热流，通过比对热流传感器的输出得到被标热流传感器的灵敏度。
辐射标定时为避免标定过程受外界环境干扰，需要在真空的标定区域内进行标定工作，这就需要标定系统配备真空腔等设备，增加了设备的复杂度，且辐射标定得到的灵敏度用于对流或传导测量时需要针对热流传感器涂黑层的黑度系数进行换算，使用比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有标定技术的不足，提供一种基于传导原理的热流传感器的标定装置和标定方法。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：一种热流传感器的标定装置，包括冷板、热板、传感器工装、绝热材料、控温设备和采集设备；
传感器工装上开有n个与热流传感器尺寸匹配的通孔，用于放置热流传感器，所述传感器工装固定在冷板和热板之间，形成平板结构，所述平板结构外围包覆绝热材料，控温设备分别与冷板和热板连接，用于控制冷板和热板的温度；采集设备同时与n个热流传感器连接。
所述传感器工装材料与热流传感器基体材料相同，且传感器工装厚度与热流传感器高度相同。
所述冷板和热板上均设置有温度传感器，用于实时采集冷板和热板的温度，并反馈给控温设备。
所述冷板和热板均采用金属材料加工而成。
所述冷板和热板与绝热材料相接触的面设置为非传热面。
利用所述标定装置的标定方法，步骤如下：
步骤一：把待标定热流传感器和标准热流传感器放置于传感器工装的通孔中，在传感器工装、待标定热流传感器和标准热流传感器上下端面均涂覆高导热硅脂；
步骤二：把传感器工装固定在冷板和热板之间，外围包覆绝热材料；
步骤三：通过控温设备控制冷板和热板的温度，使冷板和热板的温差保持恒定；
步骤四：热板向待标定热流传感器和标准热流传感器传递热量，待冷板和热板温度稳定后，采集设备采集各个热流传感器的输出，根据标准热流传感器的输出、灵敏度以及待标定热流传感器的输出换算得到待标定热流传感器的灵敏度。
所述步骤三中，控温设备控制冷板温度为高于室温的温度T1，控制热板的温度为T2，则T2满足：
其中，q为待标定的热流密度，x为传感器工装的厚度，λ为传感器工装材料的热导率。
所述步骤四中，按照如下公式换算待标定热流传感器的灵敏度：
其中，Ub为标准热流传感器输出，Uc为待标定热流传感器输出，Sb为标准热流传感器的灵敏度，Sc为待标定热流传感器的灵敏度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用热传导的方式进行标定，能够避免黑度系数差异引入的误差，在对流或传导测量时不需要针对热流传感器涂黑层的黑度系数进行换算，使用简单。
(2)本发明通过控温设备控制冷热板的温度，实现稳态标定，相对于辐射标定方法可以有效避免响应时间差异引入的误差。
(3)本发明标定范围由冷热板的温差决定，温差越高对应的热流密度越大，因此本发明标定范围宽，能够满足不同量程热流密度的标定需求。
(4)本发明设备简单，不需要放置与真空腔中，易于实现，标定成本低。
(5)本发明传感器工装上可以放置多台待标定热流传感器，实现多台产品同时进行标定，相较于辐射定标，显著提高了标定效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为标定工装装配图；
图3为涂敷好高导热硅脂的标定工装正视图。
具体实施方式
本发明设计了冷板和热板，冷板和热板通过控温设备精确控温，将待标定的热流传感器和标准热流传感器置于冷热板中间，采用热传导的方式对待标定传感器进行标定。待标定传感器和标准传感器装配在传感器工装内，该工装为薄板结构，采用与热流传感器所用基体材料相同的材料制成，厚度与热流传感器高度相同，保证标定过程符合一维传热模型，此时认为传感器工装上的所有热流传感器通过的热流密度大小一致。此时对标准传感器和待标定热流传感器的输出进行数据采集并经过公式计算，得到待标定热流传感器的灵敏度。
具体地，本发明提出的基于传导原理的标定装置，如图1所示，包括冷板1、热板2、传感器工装3、绝热材料4、控温设备5和采集设备6。
传感器工装3上开有n个与热流传感器尺寸匹配的通孔，用于放置热流传感器，且传感器工装3固定在冷板1和热板2之间，形成平板结构，该平板结构外围包覆绝热材料4，控温设备5分别与冷板1和热板2连接，用于控制冷板1和热板2的温度；冷板1和热板2上均设置有温度传感器，用于实时采集冷板1和热板2的温度，并反馈给控温设备5。采集设备6同时与n个热流传感器连接。传感器工装3材料与热流传感器基体材料相同，且传感器工装3厚度与热流传感器高度相同。
冷板1和热板2均采用热导率大、比热容大的金属材料加工而成，如铜或铝。冷板1和热板2与绝热材料4相接触的面设置为非传热面。非传热面采用绝热材料进行包裹，可确保控温准确、温度稳定度高。
利用上述标定装置的标定方法，步骤如下：
步骤一：把待标定热流传感器和标准热流传感器放置于传感器工装3的各个通孔中，放置后的俯视图如图2所示，在传感器工装3、待标定热流传感器和标准热流传感器上下端面均涂覆高导热硅脂，涂敷好高导热硅脂的正视图如图3所示；
步骤二：把传感器工装3固定在冷板1和热板2之间，外围包覆绝热材料4；
步骤三：通过控温设备5控制冷板1和热板2的温度，使冷板1和热板2的温差保持恒定；
控温设备5控制冷板1温度为高于室温的温度T1，控制热板2的温度为T2，则T2满足：
其中，q为待标定的热流密度，x为传感器工装3的厚度，λ为传感器工装3材料的热导率。
步骤四：热板2向待标定热流传感器和标准热流传感器传递热量，待冷板和热板温度稳定后，采集设备6采集各个热流传感器的输出，根据标准热流传感器的输出、灵敏度以及待标定热流传感器的输出换算得到待标定热流传感器的灵敏度。
按照如下公式换算待标定热流传感器的灵敏度：
其中，Ub为标准热流传感器输出，Uc为待标定热流传感器输出，Sb为标准热流传感器的灵敏度，Sc为待标定热流传感器的灵敏度。
本发明可以解决辐射标定的问题(需要真空腔，用于对流或传导测量时需要针对热流传感器涂黑层的黑度系数进行换算)，同时设备简单易于实现。
辐射标定方法是动态标定，不能稳定于小量程(小于30Kw/m2)标定。本发明控温设备能够控制冷热板的温差，绝热材料又能保证冷热板不与外界进行热交换，所以本发明能够稳定于小量程标定热环境中。试验证明，本发明能实现10-50Kw/m2的标定，10-30Kw/m2的标定性能优于辐射标定方法， 30-50Kw/m2的标定性能与辐射标定方法相近。
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)

1.一种热流传感器的标定装置，其特征在于：包括冷板(1)、热板(2)、传感器工装(3)、绝热材料(4)、控温设备(5)和采集设备(6)；
传感器工装(3)上开有n个与热流传感器尺寸匹配的通孔，用于放置热流传感器，所述传感器工装(3)固定在冷板(1)和热板(2)之间，形成平板结构，所述平板结构外围包覆绝热材料(4)，控温设备(5)分别与冷板(1)和热板(2)连接，用于控制冷板(1)和热板(2)的温度；采集设备(6)同时与n个热流传感器连接。
2.根据权利要求1所述的一种热流传感器的标定装置，其特征在于：所述传感器工装(3)材料与热流传感器基体材料相同，且传感器工装(3)厚度与热流传感器高度相同。
3.根据权利要求2所述的一种热流传感器的标定装置，其特征在于：所述冷板(1)和热板(2)上均设置有温度传感器，用于实时采集冷板(1)和热板(2)的温度，并反馈给控温设备(5)。
4.根据权利要求2所述的一种热流传感器的标定装置，其特征在于：所述冷板(1)和热板(2)均采用金属材料加工而成。
5.根据权利要求2所述的一种热流传感器的标定装置，其特征在于：所述冷板(1)和热板(2)与绝热材料(4)相接触的面设置为非传热面。
6.利用权利要求1所述标定装置的标定方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：把待标定热流传感器和标准热流传感器放置于传感器工装(3)的通孔中，在传感器工装(3)、待标定热流传感器和标准热流传感器上下端面均涂覆高导热硅脂；
步骤二：把传感器工装(3)固定在冷板(1)和热板(2)之间，外围包覆绝热材料(4)；
步骤三：通过控温设备(5)控制冷板(1)和热板(2)的温度，使冷板(1)和热板(2)的温差保持恒定；
步骤四：热板(2)向待标定热流传感器和标准热流传感器传递热量，待冷板和热板温度稳定后，采集设备(6)采集各个热流传感器的输出，根据标准热流传感器的输出、灵敏度以及待标定热流传感器的输出换算得到待标定热流传感器的灵敏度。
7.根据权利要求3的标定方法，其特征在于：所述步骤三中，控温设备(5)控制冷板(1)温度为高于室温的温度T1，控制热板(2)的温度为T2，则T2满足：
其中，q为待标定的热流密度，x为传感器工装(3)的厚度，λ为传感器工装(3)材料的热导率。
8.根据权利要求3的标定方法，其特征在于：所述步骤四中，按照如下公式换算待标定热流传感器的灵敏度：
其中，Ub为标准热流传感器输出，Uc为待标定热流传感器输出，Sb为标准热流传感器的灵敏度，Sc为待标定热流传感器的灵敏度。
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