CN109781309B - 一种薄膜型热流计的高精度标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜型热流计的高精度标定装置及方法。加热系统中直流恒压电源供应器保证聚酰亚胺电加热膜输出稳定加热功率；冷却系统中恒温水腔管接温度可调的冷却水循环机保证恒定的冷却温度；数据采集系统中吉时利多通道数据采集器实现热电信号转换，计算机软件记录并保存温度、电势数据。在标定装置中通过根据热流计形状挖空聚酰亚胺薄膜减小接触面气隙和接触热阻，通过调节加热功率、冷却循环水温度和布置云母片实现待标定热流计工作温度的灵活调控，热流计热面和电加热膜两侧粘贴高导热铝箔促进传热均匀，试件四周布置保温棉降低自然对流导致的实验误差。本发明实验装置匹配良好、操作简单方便，能够实现对薄膜型热流计快速、高精度标定。

Description

一种薄膜型热流计的高精度标定装置及方法

技术领域

本发明属于热测量技术领域，具体涉及一种薄膜型热流计的高精度标定装置及方法。

背景技术

热流计是一种测量物体表面热通量和热流密度的仪表，被广泛应用在动力工程、航天航空等领域，其测量结果的准确性至关重要。热流计的测试原理是通过测试已知导热系数的薄膜两侧温度，获得通过薄膜的热流密度，材料导热系数、厚度、温度的测量误差均会影响热流计的测量精度。一方面热流计是批量生产的产品，均匀性影响个体精度，出厂时不会逐个进行标定；另一方面热流计在使用的时候常粘贴在被测物体表面或者埋设在被测物体内部，热流计结构变形等因素会影响热流计的精度。此外，热流计的布置方式，是否与被测材料完美接触且对周围温度场干扰较小，也会影响热流计的测量精度。因此，为获得高精度的测量结果，用户需在热流计出厂时或者使用一段时间后进行准确标定。

热流计有各种各样的标定方法，这些方法所依据的原理各不相同，系统的误差源也不同，并且一般来说每种方法只能适合于一定类型的热流计和一定的热流范围。根据热能传递的三种方式，可将热流计标定方法大致分为辐射法、对流法和导热法，通过调研相关文献可知这三种方法均存在一定的局限性。对于辐射法，通常需要黑体炉和黑体腔等装置，标定过程还要将黑体装置加热到均温，这一过程实现难度大、操作时间长，因而标定花费高昂且不能同时标定温差灵敏度。对流法的标定装置相对复杂，对实验仪器的精度要求很高。导热法又可分为瞬态和稳态两大类，瞬态导热法对于响应时间较长的水冷型高温热流计而言不易操作；稳态导热法是能够实现大批量快速标定热流计的可行方法，但也存在标定达到稳定的弛豫时间长、热流计与稳态导热装置不易匹配等缺点。

发明内容

为实现薄膜型热流计的简易、高精度标定，本发明提供了一种薄膜型热流计的高精度标定装置及方法，其利用稳态平面热源加热方法搭建了标定系统，能够改善现有热流计标定技术中存在的标定装置复杂昂贵、实验操作难度大、操作时间长等缺点。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种薄膜型热流计的高精度标定装置，包括加热系统、冷却系统、数据采集系统及标定实验装置；其中，

加热系统包括聚酰亚胺电加热膜和直流稳压电源供应器；冷却系统包括恒温水腔和温度可调的冷却水循环机；数据采集系统包括吉时利多通道数据采集器和计算机；标定实验装置包括待标定薄膜型热流计、云母片、聚酰亚胺薄膜、高导热铝箔、保温棉和热流计自身的K型热电偶；

工作时，聚酰亚胺电加热膜设置在两个恒温水腔之间形成的中空腔体内的中心处，聚酰亚胺电加热膜与两个恒温水腔之间依次为对称设置的云母片和聚酰亚胺薄膜，云母片与聚酰亚胺电加热膜之间以及云母片与聚酰亚胺薄膜之间均设置有高导热铝箔；两个聚酰亚胺薄膜上均镶嵌有自带K型热电偶的待标定薄膜型热流计；

聚酰亚胺电加热膜与直流稳压电源供应器之间通过导线连接；每个恒温水腔均通过水管与冷却水循环机组成水循环系统；两个待标定薄膜型热流计自带的K型热电偶输出端分别与吉时利多通道数据采集器的输入端相连，吉时利多通道数据采集器的输出端与计算机的输入端相连。

本发明进一步的改进在于，聚酰亚胺电加热膜的尺寸为200mm×200mm×0.2mm。

本发明进一步的改进在于，通过调节直流稳压电源供应器的输出功率进而准确控制聚酰亚胺电加热膜的对外加热功率，确保所加热量全部沿厚度方向传递，即实现一维导热。

本发明进一步的改进在于，冷却水循环机内循环水的温度调节范围是5℃～35℃。

本发明进一步的改进在于，恒温水腔采用黄铜制成。

本发明进一步的改进在于，云母片的尺寸为200mm×200mm×0.15mm，导热系数为0.036W/(m·K)。

本发明进一步的改进在于，待标定薄膜型热流计是由OMEGA公司生产的HFS-4型薄膜热流计。

一种薄膜型热流计的高精度标定方法，该方法基于上述一种薄膜型热流计的高精度标定装置，包括以下步骤：

1)首先将加热系统的聚酰亚胺电加热膜与直流稳压电源供应器连接，然后将冷却系统的恒水腔与冷却水循环机通过水管相连，最后将数据采集系统中的吉时利多通道数据采集器与待标定薄膜型热流计连接完毕后，再与计算机相连；

2)按照顺序布置实验材料：首先将聚酰亚胺电加热膜放置在两个恒温水腔的接触面正中心位置，然后再以聚酰亚胺电加热膜为对称面，依次放置云母片若干层、根据薄膜性热流计尺寸挖空的聚酰亚胺薄膜和薄膜型热流计，最后在聚酰亚胺电加热膜与云母片之间、聚酰亚胺薄膜与云母片之间粘贴共计4层高导热铝箔，在试件四周布置保温棉；

3)开启仪器，准备实验：接通各个系统电源后，打开冷却水循环机的开关，调节好冷却温度，确保冷却循环水能顺利进入恒温水腔；打开直流恒压电源供应器，调节相应的输出功率，进而控制与之相连的聚酰亚胺电加热膜的加热功率；打开吉时利多通道数据采集器和计算机中的数据采集软件获取并记录K型热电偶的温度信号和薄膜型热流计输出的电势信号；

4)通过调节冷却水循环机的循环冷却温度、聚酰亚胺电加热膜的加热功率和云母片的层数，来改变薄膜型热流计的工作温度，随着加热功率升高，手动调节降低冷却循环水温度，或者通过增减云母片层数来实现调节薄膜型热流计的工作温度，当标定某一工作温度时薄膜型热流计的工作区曲线时，采用以上措施使得薄膜型热流计的工作温度保持定值；

5)计算机记录某一标定工作温度时，薄膜型热流计输出电势与对应热流密度的数据，然后进行数据拟合，获得薄膜型热流计在该温度时的工作曲线。

本发明具有如下有益的技术效果：

(1)本发明提供的薄膜型热流计的高精度标定装置及方法，能够最大程度实现一维导热。且实验装置简单、操作方便。聚酰亚胺电加热膜、云母片和聚酰亚胺薄膜三者面积相等(200mm×200mm)，标定装置工作时聚酰亚胺电加热膜加热功率恒定，恒温水腔表面温度恒定，这保证了恒定的冷热面温度，在之间四周布置了保温棉，避免了空气自然对流对实验造成的影响，因此在侧面接近绝热的边界条件和上下面恒温边界条件的情况下，实验系统的传热过程是无限近似一维导热的。

(2)本发明提供的薄膜型热流计的高精度标定装置及方法，该标定装置简单、操作方便。涉及到的有源器件如恒压直流电源供应器、吉时利多通道数据采集器、冷却水循环机和计算机等是热测量领域常见的仪器设备，操作简单方便；无源器件如云母片、聚酰亚胺电加热膜、高导热铝箔、聚酰亚胺薄膜、恒温水腔和水管具有较低成本。

(3)本发明提供薄膜型热流计的高精度标定装置及方法，能够实现快速、高精度的热流计标定过程。因为本标定系统在两个恒温水腔之间布置的试件均为非金属且厚度不超过3cm，因此实验达到稳态的弛豫时间很短；且实验系统能够实现近似一维导热，因此标定实验具有精度高的技术效果。

概括来说，本发明提供的薄膜型热流计高精度标定实验装置，由加热系统，冷却系统和数据采集系统组成，加热功率稳定、可控，实验元件以聚酰亚胺电加热膜为中心对称布置，实现两侧对称均匀加热，且输入热流计的热流密度准确可知。

进一步，冷热面温度、热面输入功率和实验材料厚度可调，操作方便灵活，可以实现不同温度下、对不同热流密度大小的标定，获得不同工作温度时薄膜型热流计输出电势与热流密度的拟合关系。

进一步，为确保标定实验实现一维导热，在聚酰亚胺电加热膜的两侧和薄膜型热流计的热面粘贴高导热铝箔，根据热流计形状尺寸挖空聚酰亚胺薄膜，两者匹配，保证一维传热的均匀性。

进一步，本发明中的薄膜型热流计高精度标定实验装置中，考虑降低自然对流引起的实验元件边缘散热，在实验元件四周布置了保温棉。

进一步，本发明的薄膜型热流计高精度标定实验装置中，利用恒温水腔的自身重力将实验元件接触面之间的气隙排出。

附图说明

图1是本发明中薄膜型热流计高精度标定实验装置的主视图。

图2是本发明中薄膜型热流计与聚酰亚胺薄膜的布置形式。

图3是本发明中薄膜型热流计高精度标定实验装置示意图。

图4是本发明中采用OMEGA公司生产的两个HFS-4型薄膜热流计进行实验获得的标定曲线，其中图4(a)是标定的两个热流计在工作温度为30℃的标定曲线，图4(b)是标定的两个热流计在工作温度为50℃的标定曲线，图4(c)是标定的两个热流计在工作温度为70℃的标定曲线，图4(d)是标定的两个热流计的实验测得灵敏度随温度变化曲线，图4(e)是标定的两个热流计输出增益系数与厂商提供的说明书中输出增益系数的对比图(以21℃为基准)。

附图标记说明：

1-恒温水腔，2-高导热铝箔，3-待标定薄膜型热流计，4-云母片，5-聚酰亚胺薄膜，6-保温棉，7-水管，8-聚酰亚胺电加热膜，9-K型热电偶，10-直流稳压电源供应器，11-吉时利多通道数据采集器，12-计算机，13-冷却水循环机，14-标定实验装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明：

如图1至图3所示，本发明提供的一种薄膜型热流计的高精度标定装置，包括加热系统、冷却系统、数据采集系统及标定实验装置14；其中，加热系统包括聚酰亚胺电加热膜8和直流稳压电源供应器10；冷却系统包括恒温水腔和温度可调的冷却水循环机13；数据采集系统包括吉时利多通道数据采集器11和计算机12；标定实验装置14包括待标定薄膜型热流计3、云母片4、聚酰亚胺薄膜5、高导热铝箔2、保温棉6和热流计自身的K型热电偶9；工作时，聚酰亚胺电加热膜8设置在两个恒温水腔1之间形成的中空腔体内的中心处，聚酰亚胺电加热膜8与两个恒温水腔1之间依次为对称设置的云母片4和聚酰亚胺薄膜5，云母片4与聚酰亚胺电加热膜8之间以及云母片4与聚酰亚胺薄膜5之间均设置有高导热铝箔2；两个聚酰亚胺薄膜5上均镶嵌有自带K型热电偶9的待标定薄膜型热流计3；聚酰亚胺电加热膜8与直流稳压电源供应器10之间通过导线连接；每个恒温水腔1均通过水管7与冷却水循环机13组成水循环系统；两个待标定薄膜型热流计3自带的K型热电偶9输出端分别与吉时利多通道数据采集器11的输入端相连，吉时利多通道数据采集器11的输出端与计算机12的输入端相连。

具体来说，该标定装置采取上下对称布置，高导热铜质的恒温水腔1外接水管7，通过水管7连接冷却水循环机13，冷却水循环机13输出的循环水温度调节范围是5℃～35℃，并能持续输出恒温冷却水，保证恒温水腔1内的水温恒定。恒温水腔1由黄铜制成，利用黄铜的高导热性使其表面温度均匀且接近循环水温度，保证恒温水腔1维持稳定、可调的冷面温度。

在图1标定装置的正中心是聚酰亚胺电加热膜8，聚酰亚胺电加热膜8被放置在整个标定装置正中间，这种聚酰亚胺电加热膜8的尺寸是200mm×200mm×0.2mm，聚酰亚胺电加热膜8外接导线与直流恒压电源供应器10相连，通过直流恒压电源供应器10持续输出稳定的加热功率，实现聚酰亚胺电加热膜加热的功能，且可通过改变直流恒压电源供应器的输出功率进而调控聚酰亚胺电加热膜的加热功率，操作简单方便，安全快捷。

聚酰亚胺电加热膜8的上下两侧各放置若干层云母片4，云母片4是一种导热系数低、热阻大的材料，本标定装置中云母片4的尺寸是200mm×200mm×0.15mm，导热系数约为0.036W/(m·K)，可通过改变云母片的层数来调节热流计工作温度，操作较为灵活方便。两个相同型号的待标定薄膜型热流计3以及两个相同尺寸的恒温水腔1，对聚酰亚胺电加热膜8两侧进行均匀加热，输入到两侧的热流密度相同且准确可知。

在与标定装置中恒温水腔1相接触的面即为冷面，待标定的两个热流计3布置在上下两个冷面，为了避免热流计自身的厚度因素导致其周围传热偏离一维导热，在热流计周围衬垫一种相同材质的聚酰亚胺薄膜，如图2所示，再根据热流计尺寸将聚酰亚胺薄膜挖空，热流计嵌入其中，使得热流计与稳态导热测试装置匹配良好。

为了促进装置之间传热均匀，云母片上下表面粘贴铝箔2。为了降低空气自然对流引起的实验试件边缘散热，在标定装置四周布置保温棉6。利用待标定薄膜型热流计3自带的K型热电偶9监测两个冷面温度，当监测温度不在发生变化或者变化范围小于0.5℃，可视为达到稳态。

如图3是本发明中薄膜热流计高精度标定实验装置图，该实验系统是由加热系统、冷却系统和数据采集系统三个子系统构成。聚酰亚胺电加热膜8和直流恒压电源供应器10构成加热系统，恒温水腔1、水管7和冷却水循环机13构成冷却系统，吉时利多通道数据采集器11与计算机12构成数据采集系统。

本发明中待标定的两个热流计是由OMEGA公司生产的HFS-4型薄膜热流计；这种热流计属于热阻式热流计，由热电偶串联成的热电堆与热阻层两个主要部分构成。

热流垂直通过热阻层，在热阻层两端产生温度差，在温差作用下热电堆两端输出热电势。获得不同工作温度下热流计输出热电势与实际热流密度的一一对应关系，是热流计标定实验的目的。

在本发明中薄膜型热流计标定试验系统中，当实验进行时通过实验系统的热流密度

其中P为电加热膜的加热功率，A为电加热膜面积(0.04m²)；又由傅里叶一维导热定律可知，

其中λ为热流计材料导热系数，Δx是热流计基板的厚度，ΔT是热流计基板两侧温度差；根据热流计工作原理，热流计热电堆产生的电动势E≈e₀·n·ΔT，其中e₀是单个热电偶产生电动势，n是组成热电堆的热电偶数量；将以上三个式子联立可得到

其中C被称为热流计的侧头系数，而C的倒数则是热流计的灵敏度。

对于OMEGA公司生产的HFS-4型薄膜热流计而言，温度升高会对热流计的热边界条件和热电堆的塞贝克系数产生影响，因而需要引入输出增益系数的概念，在热流计厂商提供的说明书中给定了工作温度在21℃的灵敏度，并以21℃为基准，当工作温度明显偏离21℃时，标定得到的热流密度需要乘上对应温度的输出增益系数。

本发明提供的一种薄膜型热流计的高精度标定方法，具体步骤如下：

1)首先将加热系统的聚酰亚胺电加热膜8与直流稳压电源供应器10连接，然后将冷却系统的恒水腔1与冷却水循环机10通过水管7相连，最后将数据采集系统中的吉时利多通道数据采集器11与待标定薄膜型热流计3连接完毕后，再与计算机12相连；

2)按照顺序布置实验材料：首先将尺寸为200mm×200mm×0.2mm的聚酰亚胺电加热膜8放置在两个恒温水腔1的接触面正中心位置，然后再以聚酰亚胺电加热膜8为对称面，依次放置尺寸为200mm×200mm×0.15mm的云母片4若干层、根据薄膜性热流计3尺寸挖空的聚酰亚胺薄膜5和薄膜型热流计3，最后在聚酰亚胺电加热膜8与云母片4之间、聚酰亚胺薄膜5与云母片4之间粘贴共计4层高导热铝箔2，在试件四周布置保温棉6；

3)开启仪器，准备实验：接通各个系统电源后，打开冷却水循环机10的开关，调节好冷却温度，确保冷却循环水能顺利进入恒温水腔1；打开直流恒压电源供应器10，调节相应的输出功率，进而控制与之相连的聚酰亚胺电加热膜8的加热功率；打开吉时利多通道数据采集器11和计算机12中的数据采集软件获取并记录K型热电偶9的温度信号和薄膜型热流计3输出的电势信号；

4)通过调节冷却水循环机10的循环冷却温度、聚酰亚胺电加热膜8的加热功率和云母片4的层数，来改变薄膜型热流计3的工作温度，随着加热功率升高，手动调节降低冷却循环水温度，或者通过增减云母片4层数来实现调节薄膜型热流计3的工作温度，当标定某一工作温度时薄膜型热流计3的工作区曲线时，采用以上措施使得薄膜型热流计3的工作温度保持定值；

5)计算机12记录某一标定工作温度时，薄膜型热流计3输出电势与对应热流密度的数据，然后进行数据拟合，获得薄膜型热流计3在该温度时的工作曲线。

如图4所示，是本发明中薄膜热流计高精度标定实验获得的标定曲线，测试了待标定热流计在工作温度(a)30℃、(b)50℃、(c)70℃时的工作曲线，图4(d)是待标定的两个热流计的实验测得灵敏度随温度变化曲线，图4(e)是待标定的两个热流计灵敏度与说明书中相对灵敏度对比(以21℃为基准)。可以得到以下结论：(1)相同型号的薄膜型热流计的灵敏度和不同温度时的工作曲线存在差异，对于一个热流计而言，随着工作温度升高，热流计的灵敏度升高；对比两个热流计，1#热流计的灵敏度大于2#热流计，这与OMEGA公司提供的热流计说明书中的描述一致。(2)利用本发明中薄膜热流计高精度标定实验装置和方法拟合得到的标定曲线线性度较好，线性度均高于0.998。(3)实验得到的输出增益系数与OMEGA公司提供的热流计说明书中给定的参考值对比可得相对误差在5％-18％之间。

Claims (4)

1.一种薄膜型热流计的高精度标定装置，其特征在于，包括加热系统、冷却系统、数据采集系统及标定实验装置（14）；其中，

加热系统包括聚酰亚胺电加热膜（8）和直流稳压电源供应器（10）；冷却系统包括恒温水腔和温度可调的冷却水循环机（13）；数据采集系统包括吉时利多通道数据采集器（11）和计算机（12）；标定实验装置（14）包括待标定薄膜型热流计（3）、云母片（4）、聚酰亚胺薄膜（5）、高导热铝箔（2）、保温棉（6）和热流计自身的K型热电偶（9）；

云母片（4）的尺寸为200mm×200mm×0.15mm，导热系数为0.036W/(m·K)；待标定薄膜型热流计（3）是由OMEGA公司生产的HFS-4型薄膜热流计；

工作时，聚酰亚胺电加热膜（8）设置在两个恒温水腔（1）之间形成的中空腔体内的中心处，聚酰亚胺电加热膜（8）与两个恒温水腔（1）之间依次为对称设置的云母片（4）和聚酰亚胺薄膜（5），云母片（4）与聚酰亚胺电加热膜（8）之间以及云母片（4）与聚酰亚胺薄膜（5）之间均设置有高导热铝箔（2）；两个聚酰亚胺薄膜（5）上均镶嵌有自带K型热电偶（9）的待标定薄膜型热流计（3）；

聚酰亚胺电加热膜（8）与直流稳压电源供应器（10）之间通过导线连接；每个恒温水腔（1）均通过水管（7）与冷却水循环机（13）组成水循环系统；两个待标定薄膜型热流计（3）自带的K型热电偶（9）输出端分别与吉时利多通道数据采集器（11）的输入端相连，吉时利多通道数据采集器（11）的输出端与计算机（12）的输入端相连；通过调节直流稳压电源供应器（10）的输出功率进而准确控制聚酰亚胺电加热膜（8）的对外加热功率，确保所加热量全部沿厚度方向传递，即实现一维导热；冷却水循环机（13）内循环水的温度调节范围是5℃~35℃。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜型热流计的高精度标定装置，其特征在于，聚酰亚胺电加热膜（8）的尺寸为200mm×200mm×0.2mm。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜型热流计的高精度标定装置，其特征在于，恒温水腔（1）采用黄铜制成。

4.一种薄膜型热流计的高精度标定方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至3中任一项所述的一种薄膜型热流计的高精度标定装置，包括以下步骤：

1）首先将加热系统的聚酰亚胺电加热膜（8）与直流稳压电源供应器（10）连接，然后将冷却系统的恒温水腔（1）与冷却水循环机（13）通过水管（7）相连，最后将数据采集系统中的吉时利多通道数据采集器（11）与待标定薄膜型热流计（3）连接完毕后，再与计算机（12）相连；

2）按照顺序布置实验材料：首先将聚酰亚胺电加热膜（8）放置在两个恒温水腔（1）的接触面正中心位置，然后再以聚酰亚胺电加热膜（8）为对称面，依次放置云母片（4）若干层、根据薄膜型热流计（3）尺寸挖空的聚酰亚胺薄膜（5）和薄膜型热流计（3），最后在聚酰亚胺电加热膜（8）与云母片（4）之间、聚酰亚胺薄膜（5）与云母片（4）之间粘贴共计4层高导热铝箔（2），在试件四周布置保温棉（6）；

3）开启仪器，准备实验：接通各个系统电源后，打开冷却水循环机（13）的开关，调节好冷却温度，确保冷却循环水能顺利进入恒温水腔（1）；打开直流稳压电源供应器（10），调节相应的输出功率，进而控制与之相连的聚酰亚胺电加热膜（8）的加热功率；打开吉时利多通道数据采集器（11）和计算机（12）中的数据采集软件获取并记录K型热电偶（9）的温度信号和薄膜型热流计（3）输出的电势信号；

4）通过调节冷却水循环机（13）的循环冷却温度、聚酰亚胺电加热膜（8）的加热功率和云母片（4）的层数，来改变薄膜型热流计（3）的工作温度，当标定某一工作温度时薄膜型热流计（3）的工作区曲线时，采用以上措施使得薄膜型热流计（3）的工作温度保持定值；

5）计算机（12）记录某一标定工作温度时，薄膜型热流计（3）输出电势与对应热流密度的数据，然后进行数据拟合，获得薄膜型热流计（3）在该温度时的工作曲线。

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