CN113176013B - 一种用于热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法，包括：确定标定热流范围，选择标定热流值；在热流传感器表面喷涂涂层；获得热流传感器在某一标定热流下的输出；将热流传感器移出标定位置，固定水冷Gardon计，获得水冷Gardon计输出；获得待标定的热流传感器、水冷Gardon计在一系列标定热流下的输出；处理热流传感器输出，获得输出平均值；利用水冷Gardon计的名义灵敏度系数和在某一标定热流下的输出，结合热流传感器表面涂层的吸收率，计算得到热流传感器输入热流；用最小二乘法拟合多对热流传感器输出的平均值和输入热流，得到热流传感器的灵敏度系数。本发明满足了热流传感器测试值有明确的量值溯源需求，提供可靠的不确定度评估结果。

Description

一种用于热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法

技术领域

本发明属于热流传感器校准技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法。

背景技术

当前，激波风洞等脉冲型风洞中主要是利用薄膜热电阻和同轴热电偶开展热流测试的。当利用薄膜热电阻或同轴热电偶开展热流测试时，都是利用这两种传感器获得的表面温度通过反演的方式获得热流测试结果。所不同的是，薄膜热电阻利用的是诸如铂金属薄膜的电阻与温度之间的线性依赖关系实现温度测试的，而同轴热电偶是利用不同热电偶材料的Seebeck效应获得表面温度测试结果的。通常，通过温度获得热流测试结果的反演方法常用的主要是Cook-Feldeman公式。Cook-Feldeman公式是基于半无限体假设，通过严格传热方程推导得到的一个简化计算方法。因此，利用Cook-Feldeman公式处理温度测试结果获得热流测试值的过程中必然需要使用到传感器基体材料的热物性参数，比如密度、比热容和热传导系数。由此，为了获得热电系数和热物性参数，通常情况下是采用两步法的方式分别获得热电系数和热物性参数乘积。热电系数主要是通过恒温浴的方式获得传感器电压输出与温度之间的对应关系；对于同轴热电偶，热物性参数乘积多是将其快速的投入到温度和热物性参数都已知的溶液中，通过传热计算获得其有效的热物性参数乘积；对于薄膜热电阻，多是利用脉冲辐射法确定其有效热物性参数。显然，这种两步式方法确定的热电系数和热物性参数乘积必然在评估热流测试结果的不确定度时会引入更多的误差因素。同时，又有文献指出Cook-Feldeman方法估算出的热流结果不够准确，而在估计有效热物性参数乘积时也常常利用Cook-Feldeman方法。本发明所提供的标定方法采用对比标定的方式，在已知输入热流测前提下，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成一个综合参数，即传感器的灵敏度系数，通过在多个不同输入热流条件下的标定实验结果拟合获得该灵敏度系数。虽然在处理传感器输出时，也利用了Cook-Feldeman公式，但是在对实验数据进行拟合的过程中已知的输入热流又起到了校正的效果。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种热流传感器标定设备，其结构包括：

函数发生器，其通过线缆分别连接有光纤激光器和计算机，所述计算机通过线缆连接有动态数据采集仪，所述动态数据采集仪通过线缆分别连接有待标定的热流传感器和水冷Gardon计；

光束整形匀化系统，其位置正对光纤激光器的出射端口；

所述用于热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶，以下简称热流传感器，其标定方法包括以下步骤：

步骤一、热流传感器标定设备检查，确定标定热流范围，并从中选择多个不同的标定热流点，利用原子层热电堆热流传感器检查标定热流在时间上的稳定性；

步骤二、在待标定的热流传感器表面喷涂一层涂层；

步骤三、将待标定的热流传感器固定在热流传感器标定设备的指定位置处；

步骤四、设定函数发生器和动态数据采集仪的参数，开启光纤激光器和动态数据采集仪，获得热流传感器在某一标定热流下的输出；

步骤五、将热流传感器移出原位置，然后在这个位置上固定水冷Gardon计，重复步骤四，获得水冷Gardon计在同一标定热流下的输出；

步骤六、重复步骤三～步骤五，获得待标定的热流传感器以及水冷Gardon计在一系列标定热流下的输出；

步骤七、处理待标定的热流传感器的输出，将热流传感器的热电系数和热物性参数乘积处理成一个综合参数，并定义为热流传感器的灵敏度系数，根据时间上限t_up以及时间下限t_low获得热流传感器输出V_cal的平均值；

步骤八、利用水冷Gardon计的名义灵敏度系数β_G及其在某一标定热流下的输出V_G，结合待标定的热流传感器表面喷涂的涂层吸收率μ，计算得到这一标定热流状态下待标定的热流传感器输入热流q_in；

步骤九、利用最小二乘法拟合多对热流传感器输出V_cal的平均值和对应的输入热流q_in，即得到待标定的热流传感器的灵敏度系数。

优选的是，其中，所述时间上限t_up应满足：

所述时间下限应满足：

其中，其中X是一个无量纲参数，这里取X＝2，L是热流传感器的长度，a₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的有效热扩散系数，ρ₁c₁k₁是涂层的热物性参数乘积，ρ₁是涂层的密度，c₁是涂层的比热容，k₁是涂层的导热系数，ρ₂c₂k₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的有效热物性参数乘积，ρ₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的密度，c₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的比热容，k₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的导热系数；

待测的热流传感器输出V_cal的计算公式为：

其中，t_i、t_n和t_i-1是离散的时间，i＝1,2,...,n，t_n是当前采集时间点，t_i是指当前采集时间点之前的所有时间点，t_i-1是t_i的上一个时间点，V_i是动态数据采集仪采集到的热流传感器时间序列输出，V_i-1是热流传感器输出V_i前的一个输出点。

优选的是，其中，所述步骤八中待标定的热流传感器输入热流计算公式为：

q_in＝μV_G/β_G

优选的是，其中，所述涂层为炭黑、胶态石墨、金黑或铂黑中的一种，涂层厚度不超过1μm。

优选的是，其中，所述薄膜热电阻热流计的基底材料为聚酰亚胺或聚醚醚酮中的一种。

优选的是，其中，所述薄膜热电阻热流计的基底材料为玻璃或陶瓷中的一种，薄膜热电阻热流计的感应面应沉积有一层金刚石膜。

优选的是，其中，所述薄膜热电阻热流计在被标定时，需给其提供1mA的恒定电流。

本发明至少包括以下有益效果：本发明所提供的标定方法采用对比标定的方式，在已知输入热流测前提下，将薄膜热电阻热流计或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成一个综合参数，即传感器的灵敏度系数，通过在多个不同输入热流条件下的标定实验结果拟合获得该灵敏度系数。虽然在处理传感器输出时，也利用了Cook-Feldeman公式，但是在对实验数据进行拟合的过程中已知的输入热流又起到了校正的效果。本发明可满足应用这两种传感器进行热流测试时其测试值有较为明确的量值溯源需求，同时提供较为可靠的测试结果不确定度评估结果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明提供的热流传感器标定设备组成框图；

图2为实施例1输入热流为323.7kW/m²时对一支薄膜热电阻热流计的标定结果示意图；

图3为拟合实施例1的标定数据得到的灵敏度系数示意图；

图4为实施例2输入热流为522.3kW/m²时对一支同轴热电偶的标定结果示意图；

图5为拟合实施例2的标定数据得到的灵敏度系数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示：本发明的一种热流传感器标定设备，包括：

函数发生器1，其通过线缆分别连接有光纤激光器2和计算机7，所述计算机7通过线缆连接有动态数据采集仪6，所述动态数据采集仪6通过线缆分别连接有待标定的热流传感器4和水冷Gardon计5；

光束整形匀化系统3，其位置正对光纤激光器2的出射端口；

函数发生器1接收计算机7中设定的阶跃函数的持续时间和幅值，函数发生器1产生相应的激励信号驱动光纤激光器2发出指定时长和幅值的阶跃激光，激光经过光束整形匀化系统3后能够在待测热流传感器4感应面形成完全覆盖待测热流传感器4感应面的、功率均匀的光斑。计算机7中设定动态数据采集仪6的采样参数，动态数据采集仪6接收计算机7中设定的采样参数，分别采集待测热流传感器4和水冷Gardon计5的输出信号，并送入计算机7进行存储。

实施例1

对一支薄膜热电阻热流计进行标定，标定的步骤包括：

步骤一、热流传感器标定设备检查，确定标定热流范围，并从中选择5个不同的标定热流点，利用原子层热电堆热流传感器检查标定热流在时间上的稳定性；

步骤二、在待标定的薄膜热电阻热流计表面喷涂一层炭黑涂层，涂层厚度不超过1μm；涂层材料也可采用胶态石墨、金黑或铂黑中的一种；薄膜热电阻热流计基底材料为聚酰亚胺，也可采用聚醚醚酮；当薄膜热电阻热流计基底材料为玻璃或陶瓷时，薄膜热电阻热流计的感应面应沉积一层金刚石膜，由此就可以考虑其他具有导电性能的涂层，缩短选取标定数据的时间下限，同时又不影响薄膜热电阻热流计测热结果的准确性；

步骤三、将待标定的薄膜热电阻热流计固定在热流传感器标定设备的指定位置处；

步骤四、设定函数发生器和动态数据采集仪的参数，开启光纤激光器和动态数据采集仪，并给薄膜热电阻热流计提供1mA的恒定电流，获得薄膜热电阻热流计在某一标定热流下的输出；

步骤五、将薄膜热电阻热流计移出原位置，然后在这个位置上固定水冷Gardon计，重复步骤四，获得水冷Gardon计在同一标定热流下的输出；

步骤六、重复步骤三～步骤五，获得待标定的薄膜热电阻热流计以及水冷Gardon计在一系列标定热流下的输出；

步骤七、处理待标定的薄膜热电阻热流计的输出，根据时间上限t_up以及时间下限t_low获得薄膜热电阻热流计输出V_cal的平均值，时间上限t_up应满足：

时间下限应满足：

其中，其中X是一个无量纲参数，这里取X＝2，L是薄膜热电阻热流计的长度，a₂是薄膜热电阻热流计基底的有效热扩散系数，ρ₁c₁k₁是炭黑涂层的热物性参数乘积，ρ₁是炭黑涂层的密度，c₁是炭黑涂层的比热容，k₁是炭黑涂层的导热系数，ρ₂c₂k₂是薄膜热电阻热流计基底的有效热物性参数乘积，ρ₂是薄膜热电阻热流计基底的密度，c₂是薄膜热电阻热流计基底的比热容，k₂是薄膜热电阻热流计基底的导热系数；

待测的薄膜热电阻热流计输出V_cal的计算公式为：

其中，t_i、t_n和t_i-1是离散的时间，i＝1,2,...,n，t_n是当前采集时间点，t_i是指当前采集时间点之前的所有时间点，t_i-1是t_i的上一个时间点，V_i是动态数据采集仪采集到的薄膜热电阻热流计时间序列输出，V_i-1是薄膜热电阻热流计输出V_i前的一个输出点；

步骤八、利用水冷Gardon计的名义灵敏度系数β_G及其在某一标定热流下的输出V_G，结合待标定的薄膜热电阻热流计表面喷涂的炭黑涂层吸收率μ，计算得到这一标定热流状态下待标定的薄膜热电阻热流计输入热流q_in，计算公式为：q_in＝μV_G/β_G，如图2所示为输入热流为323.7kW/m²时的标定结果示意图，图中曲线a为计算得到薄膜热电阻热流计的计算输出V_cal随时间变化曲线，曲线b为采集得到原始的输出随时间变化曲线；

步骤九、如图3所示，利用最小二乘法拟合5对薄膜热电阻热流计输出V_cal的平均值和对应的输入热流q_in，即得到待标定的薄膜热电阻热流计的灵敏度系数，图3中直线的斜率即为拟合得到的灵敏度系数，拟合得到的灵敏度系数为0.02384Ω.s^-0.5/(kW/m²)。

实施例2

对一支同轴热电偶进行标定，标定的步骤包括：

步骤一、热流传感器标定设备检查，确定标定热流范围，并从中选择5个不同的标定热流点，利用原子层热电堆热流传感器检查标定热流在时间上的稳定性；

步骤二、在待标定的同轴热电偶表面喷涂一层炭黑涂层，涂层也可采用金黑、胶态石墨或铂黑涂层中的一种，涂层厚度不超过1μm；

步骤三、将待标定的同轴热电偶固定在热流传感器标定设备的指定位置处；

步骤四、设定函数发生器和动态数据采集仪的参数，开启光纤激光器和动态数据采集仪，获得同轴热电偶在某一标定热流下的输出；

步骤五、将同轴热电偶移出原位置，然后在这个位置上固定水冷Gardon计，重复步骤四，获得水冷Gardon计在同一标定热流下的输出；

步骤六、重复步骤三～步骤五，获得待标定的同轴热电偶以及水冷Gardon计在一系列标定热流下的输出；

步骤七、处理待标定的同轴热电偶的输出，根据时间上限t_up以及时间下限t_low获得同轴热电偶输出V_cal的平均值，其中，时间上限t_up应满足：

时间下限应满足：

其中，其中X是一个无量纲参数，这里取X＝2，L是同轴热电偶的长度，a₂是同轴热电偶的有效热扩散系数，ρ₁c₁k₁是炭黑涂层的热物性参数乘积，ρ₁是炭黑涂层的密度，c₁是炭黑涂层的比热容，k₁是炭黑涂层的导热系数，ρ₂c₂k₂是同轴热电偶的有效热物性参数乘积，ρ₂是同轴热电偶的密度，c₂是同轴热电偶的比热容，k₂是同轴热电偶的导热系数；

待测的同轴热电偶输出V_cal的计算公式为：

其中，t_i、t_n和t_i-1是离散的时间，i＝1,2,...,n，t_n是当前采集时间点，t_i是指当前采集时间点之前的所有时间点，t_i-1是t_i的上一个时间点，V_i是动态数据采集仪采集到的同轴热电偶时间序列输出，V_i-1是同轴热电偶输出V_i前的一个输出点；

步骤八、利用水冷Gardon计的名义灵敏度系数β_G及其在某一标定热流下的输出V_G，结合待标定的同轴热电偶表面喷涂的炭黑涂层吸收率μ，根据公式q_in＝μV_G/β_G计算得到这一标定热流状态下待标定的同轴热电偶输入热流q_in，图4为输入热流为522.3kW/m²时同轴热电偶的标定结果示意图，其中曲线c为同轴热电偶的计算输出V_cal随时间变化曲线，曲线d为采集得到的原始输出随时间变化曲线；

步骤九、如图5所示，利用最小二乘法拟合5对同轴热带偶输出V_cal的平均值和对应的输入热流q_in，即得到待标定的同轴热电偶的灵敏度系数，图5中直线的斜率即为拟合得到的灵敏度系数，拟合得到的灵敏度系数为0.00598Ω.s^-0.5/(kW/m²)。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种用于热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法，其特征在于，其所使用的热流传感器标定设备的结构包括：

函数发生器，其通过线缆分别连接有光纤激光器和计算机，所述计算机通过线缆连接有动态数据采集仪，所述动态数据采集仪通过线缆分别连接有待标定的热流传感器和水冷Gardon计；

光束整形匀化系统，其位置正对光纤激光器的出射端口

所述用于热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶，以下简称热流传感器，其标定方法包括以下步骤：

步骤一、热流传感器标定设备检查，确定标定热流范围，并从中选择多个不同的标定热流点，利用原子层热电堆热流传感器检查标定热流在时间上的稳定性；

步骤二、在待标定的热流传感器表面喷涂一层涂层；

步骤三、将待标定的热流传感器固定在热流传感器标定设备的指定位置处；

步骤四、设定函数发生器和动态数据采集仪的参数，开启光纤激光器和动态数据采集仪，获得热流传感器在某一标定热流下的输出；

步骤五、将热流传感器移出原位置，然后在这个位置上固定水冷Gardon计，重复步骤四，获得水冷Gardon计在同一标定热流下的输出；

步骤六、重复步骤三～步骤五，获得待标定的热流传感器以及水冷Gardon计在一系列标定热流下的输出；

步骤七、处理待标定的热流传感器的输出，将热流传感器的热电系数和热物性参数乘积处理成一个综合参数，并定义为热流传感器的灵敏度系数，根据时间上限t_up以及时间下限t_low获得热流传感器输出V_cal的平均值；

步骤八、利用水冷Gardon计的名义灵敏度系数β_G及其在某一标定热流下的输出V_G，结合待标定的热流传感器表面喷涂的涂层吸收率μ，计算得到这一标定热流状态下待标定的热流传感器输入热流q_in；

步骤九、利用最小二乘法拟合多对热流传感器输出V_cal的平均值和对应的输入热流q_in，即得到待标定的热流传感器的灵敏度系数；

所述时间上限t_up应满足：

所述时间下限应满足：

其中，其中X是一个无量纲参数，这里取X＝2，L是热流传感器的长度，a₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的有效热扩散系数，ρ₁c₁k₁是涂层的热物性参数乘积，ρ₁是涂层的密度，c₁是涂层的比热容，k₁是涂层的导热系数，ρ₂c₂k₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的有效热物性参数乘积，ρ₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的密度，c₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的比热容，k₂是薄膜热电阻热流计基底或同轴热电偶的导热系数；

待测的热流传感器输出V_cal的计算公式为：

其中，t_i、t_n和t_i-1是离散的时间，i＝1,2,...,n，t_n是当前采集时间点，t_i是指当前采集时间点之前的所有时间点，t_i-1是t_i的上一个时间点，V_i是动态数据采集仪采集到的热流传感器时间序列输出，V_i-1是热流传感器输出V_i前的一个输出点。

2.如权利要求1所述的热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法，其特征在于，所述步骤八中待标定的热流传感器输入热流计算公式为：

q_in＝μV_G/β_G。

3.如权利要求1所述的热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法，其特征在于，所述涂层为炭黑、胶态石墨、金黑或铂黑中的一种，涂层厚度不超过1μm。

4.如权利要求1所述的热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法，其特征在于，所述薄膜热电阻热流计的基底材料为聚酰亚胺或聚醚醚酮中的一种。

5.如权利要求1所述的热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法，其特征在于，所述薄膜热电阻热流计的基底材料为玻璃或陶瓷中的一种，薄膜热电阻热流计的感应面应沉积有一层金刚石膜。

6.如权利要求1所述的热流测试的薄膜热电阻热流计和同轴热电偶的标定方法，其特征在于，所述薄膜热电阻热流计在被标定时，需给其提供1mA的恒定电流。

Images