CN1588023A - 一种对流换热系数的测试方法及其对流换热系数传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数的传感器，该传感器有一壳体，壳体内安装有加热膜、绝热体、第一热电偶，测温圆片安装在壳体顶部构成壳体的盖板，测温圆片的底面镀有加热膜，加热膜上连接有加热引线，加热引线另一端连接在测量仪表上，加热膜与壳体底部之间填充有绝热体，第一热电偶的测温端与测温圆片接触，第一热电偶的正极接线端与第二热电偶的正极接线端连接，第一热电偶的负极接线端与测量仪表连接，第二热电偶的负极接线端与测量仪表连接，第二热电偶的测温端与流体接触。本发明是基于传热学的基本理论而设计的对流换热系数传感器，它可以直接得到被测物体表面的对流换热系数数据，也可以用于测量对流换热表面的对流换热热流，可广泛用于工业生产中。

Description

一种对流换热系数的测试方法及其对流换热系数传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体地，是指一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数的传感器以及提供一种计算对流换热系数的测试方法。

背量技术

对流还热系数是衡量对流换热强弱的重要参数，也是计算对流换热问题的基本数据。在当今的传热学领域和与热动力有关的生产实践中，对流换热系数数据主要是通过实验间接获得，但是，对于一些特定的场合(如发动机涡轮叶片内的对流换热问题)，间接获取对流换热系数也是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于传热学的基本理论而设计的对流换热系数传感器，它可以直接得到被测物体表面的对流换热系数数据，也可以用于测量对流换热表面的对流换热热流。

本发明的另一目的是提供一种对对流换热系数的测试计算方法，该方法有效地提高了表面传热系数的测试精度。

本发明的一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数的热的测试方法，当传感器安装于被测表面，并对传感器的测温圆片瞬间加热后，对流换热系数α测试式为

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ρcV}}{({\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1)F}\ln \frac{t_1-t_{\∞}}{t_2-t_{\∞}}$

其第一热电偶5和第二热电偶6在τ₁时刻测得的圆片和流体的温差为t₁-t_∞，在下一个时刻第一热电偶5和第二热电偶6测得的圆片和流体的温差t₂-t_∞满足

t₂-t_∞＝0.33(t₁-t_∞)

时(此时的时刻为τ₂)对流换热系数误差最小，为

$\frac{\mathrm{\δ\α}}{\mathrm{\α}}=4.07\left(\frac{\mathrm{\δt}}{t_1-t_{\∞}}\right)$

本发明的一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数的传感器，包括测量仪表8，测量仪表8内至少设置有供电电源，其还包括壳体1、测温圆片2、加热膜3、绝热体4、第一热电偶5、第二热电偶6、正极加热引线701和负极加热引线702，加热膜3、绝热体4、第一热电偶5安装在壳体1内，测温圆片2安装在壳体1顶部构成壳体1的盖板；测温圆片2的背面镀有加热膜3，加热膜3的两端上连接有正极加热引线701和负极加热引线702，正极加热引线701和负极加热引线702的另一端连接在测量仪表8的供电电源上；加热膜3与壳体1底部之间填充有绝热体4；第一热电偶5的测温端与测温圆片2接触，第一热电偶5的正极接线端与第二热电偶6的正极接线端连接，第一热电偶5的负极接线端与测量仪表8连接，第二热电偶6的负极接线端与测量仪表8连接，第二热电偶6的测温端与流体接触。

所述的对流换热传感器，其第一热电偶5和第二热电偶6构成温差热电偶，其温差由测量仪表8测量。

所述的对流换热系数传感器，其测温圆片2是小于1mm厚的铜片或者不锈钢。

所述的对流换热系数传感器，其加热膜3可以是光刻不锈钢加热片或者电镀膜。

本发明的传感器可以解决对流换热表面尤其是复杂表面对流换热系数的测量问题，可以直接得到对流换热表面的对流换热系数，而不必进行繁琐的温度场测量。

附图说明

图1是本发明传感器的结构示意图。

图2是本发明传感器计算方法的流程图。

图中：1.壳体  2.测温圆片  3.加热膜  4.绝热体  5.第一热电偶6.第二热电偶  701.正极加热引线  702.负极加热引线  8.测量仪表

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进行一步的详细说明。

在本发明中，传感器是依据传热学非稳态导热的集总参数法原理。请参见图1所示，假设一个很薄(厚度小于1mm)的铜制或不锈钢制测温圆片2，测温圆片2与温度为t_∞流体发生对流换热，壳体1为不锈钢材料制成的“U”形状，测温圆片2安装在壳体1顶部构成壳体1的盖板，故流体只与测温圆片2和流体接触的表面换热，其余三面不换热。设定换热面积表示为F，圆片的体积表示为V，测温圆片2密度表示为ρ，测温圆片2比热表示为c。当对测温圆片2进行加热后，其温度必然要升高；当加热停止后，由于受流体对流换热的冷却，测温圆片2的温度将逐渐降低。由于测温圆片2很薄，测温圆片2内各处温度基本相等，也就等于测温圆片2表面的温度。在某一时刻τ₁测得圆片与流体的温差为t₁-t_∞，经过一段时间后，在τ₂时刻测得圆片与流体的温差为t₂-t_∞，并设测温圆片2与流体的对流换热系数为α。以上各量存在如下关系：

$\frac{t_1-t_{\∞}}{t_2-t_{\∞}}=e^{\frac{\mathrm{\αF}}{\mathrm{\ρcV}}({\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1)}----\left(1\right)$

则

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ρcV}}{({\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1)F}\ln \frac{t_1-t_{\∞}}{t_2-t_{\∞}}----\left(2\right)$

利用(2)式即可测量出流体与测温圆片2表面的对流换热系数α。如用第一热电偶5和第二热电偶6组成温差热电偶的测温误差为δt，通过误差分析可以得出，当满足：

t₂-t_∞＝0.33(t₁-t_∞)                              (3)时，测得的对流换热系数误差最小，其方法误差为：

$\frac{\mathrm{\δ\α}}{\mathrm{\α}}=4.07\left(\frac{\mathrm{\δt}}{t_1-t_{\∞}}\right)----\left(4\right)$

因此，降低第一热电偶5和第二热电偶6组成温差热电偶的测量误差和提高t₁-t_∞都可以提高对流换热系数α的测试精度。

例：设第一热电偶5和第二热电偶6组成温差热电偶的测量误差0.1℃，在时刻τ₁时测得温差为t₁-t_∞＝50℃，在t₂-t_∞＝50℃×0.33＝16.5℃(用公式(3)计算)时，测量此时的时间为τ₂，利用公式(2)即可得到该工况下的对流换热系数α，此时的α误差最小，相对误差为 $4.07\×\frac{0.1}{50}=0.814\%.$

上述公式的符号表示为：

t_∞  流体温度(流体的实际温度，一般在室温至400℃左右，用第二热电偶6测量)

F    换热面积(指测温圆片2与流体接触表面积)

c    比热(指测温圆片2材料的比热)

V    测温圆片2体积

ρ        密度(指测温圆片2材料的密度值)

α        对流换热系数

δt  温差热电偶的测温误差(指第一热电偶5和第二热电偶6组成温差热电偶的测量误差的绝对值)

τ₁ 时间(指温差热电偶第一次测量温差的时刻)

τ₂ 时间(指温差热电偶第二次测量温差的时刻)

请参见图1所示，本发明的一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数传感器，由壳体1(用不锈钢材料制成“U”形)、测温圆片2(较簿，一般用厚度小于1mm的铜片或不锈钢片加工)、加热膜3、绝热体4、第一热电偶5、第二热电偶6、加热引线7和测量仪表8构成，加热膜3、绝热体4、第一热电偶5安装在壳体1内，测温圆片2安装在壳体1顶部构成壳体1的盖板。测温圆片2的背面设有加热膜3，加热膜3的两端连接有正极加热引线701和负极加热引线702，正极加热引线701和负极加热引线702另一端连接在测量仪表8上。加热膜3与壳体1底部之间填充有绝热体4。第一热电偶5的测温端与测温圆片2接触，第一热电偶5的正极接线端与第二热电偶6的正极接线端连接，第一热电偶5的负极接线端与测量仪表8连接，第二热电偶6的负极接线端与测量仪表8连接，第二热电偶6的测温端与流体接触。测量仪表8内至少设有供电电源，供电电源可以是干电池也可以是与外部电源连接的电源芯片，只要能够输出4V～6V电压即可。对于测量仪表8，也可以采用计算机数据采集来完成。

在本发明中，第一热电偶5和第二热电偶6的正极相连的方式构成温差热电偶，其温差由测量仪表8测量。

在本发明中，第二热电偶6的测温端与流体接触，第一热电偶5的测温端与加测温圆片2接触。在传感器工作时，由设置于测量仪表内的加热电源对加热膜片瞬间通电加热，该加热过程一般在1妙以内完成。加热结束后，仪表8开始测量由第一热电偶5和第二热电偶6测得的圆片和流体的温差t₁-t_∞，并记录此时的时刻为τ₁，当仪表8测量由第一热电偶5和第二热电偶6测得的圆片和流体的温差满足(3)式时，记录此时的时刻为τ₂，并输出给测量仪表8内的测试公式(2)进行计算，即得到显示于测量仪表8上的对流换热系数的数据，然后再进行下一个测试。请参见图2所示。对于在测试过程中，公式(3)、公式(4)是经本专利申请的发明人推导并论证的最佳测量方法及结果，按公式(3)的要求测量，所得的对流换热系数误差最小，公式(3)是设定在测量仪表8内部的。当第二热电偶6和第一热电偶5将所测数据传输入测量仪表8中时，测量仪表8便进行按设定的顺序、计算规则计算输出的对流换热系数。

本发明的传感器可广泛应用于工业生产中，有效地解决在复杂环境(如发动机涡轮叶片内部)对流换热表面尤其是复杂表面对流换热系数的测量问题，可以直接得到对流换热表面的对流换热系数，而不必进行繁琐的温度场测量。

Claims (8)

1、一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数的测试方法，其特征在于：当传感器安装于被测表面，并对传感器的测温圆片(2)瞬间加热后，对流换热系数测试式为

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ρcV}}{\left({{\mathrm{\τ}}_2-\mathrm{\τ}}_1\right)F}\ln \frac{t_1-t_{\∞}}{t_2-t_{\∞}}$

其第一热电偶(5)和第二热电偶(6)在τ₁时刻测得的测温圆片(2)和流体的温差为t₁-t_∞，在另一时刻τ₂第一热电偶(5)和第二热电偶(6)测得的测温圆片(2)和流体的温差t₂-t_∞满足

    t₂-t_∞＝0.33(t₁-t_∞)时，对流换热系数误差最小，为

$\frac{\mathrm{\δ\α}}{\mathrm{\α}}=4.07\left(\frac{\mathrm{\δt}}{t_1-t_{\∞}}\right)$

2、根据权利要求1所述的对流换热系数测试方法，其特征在于：所述的第一热电偶(5)和第二热电偶(6)组成的温差热电偶在τ₁与τ₂的时间间隔为5秒～60秒。

3、一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数的传感器，包括测量仪表(8)，测量仪表(8)内至少设置有供电电源，其特征在于：包括壳体(1)、测温圆片(2)、加热膜(3)、绝热体(4)、第一热电偶(5)、第二热电偶(6)、正极加热引线(701)和负极加热引线(702)，加热膜(3)、绝热体(4)、第一热电偶(5)安装在壳体(1)内，测温圆片(2)安装在壳体(1)顶部构成壳体(1)的盖板；测温圆片(2)的背面镀有加热膜(3)，加热膜(3)的两端上连接有正极加热引线(701)和负极加热引线(702)，正极加热引线(701)和负极加热引线(702)的另一端连接在测量仪表(8)的供电电源上；加热膜(3)与壳体(1)底部之间填充有绝热体(4)；第一热电偶(5)的测温端与测温圆片(2)接触，第一热电偶(5)的正极接线端与第二热电偶(6)的正极接线端连接，第一热电偶(5)的负极接线端与测量仪表(8)连接，第二热电偶(6)的负极接线端与测量仪表(8)连接，第二热电偶(6)的测温端与流体接触。

4、根据权利要求3所述的对流换热系数传感器，其特征在于：所述的第一热电偶(5)和第二热电偶(6)构成温差热电偶，其温差由测量仪表(8)测量。

5、根据权利要求3所述的对流换热系数传感器，其特征在于：所述的测温圆片(2)是小于1mm厚的铜片或者不锈钢。

6、根据权利要求3所述的对流换热系数传感器，其特征在于：所述的加热膜(3)可以是光刻不锈钢加热片或者电镀膜。

7、根据权利要求3所述的对流换热系数传感器，其特征在于：所述的壳体(1)为“U”形状，用不锈钢材料制成。

8、根据权利要求3所述的对流换热系数传感器，其特征在于：所述的测量仪表(8)的供电电源为正极加热引线(701)和负极加热引线(702)输出4V～6V电压。

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