熱阻式熱流傳感器校準裝置研究

張曉菲 孟祥軍 王闊傳 張玉常 吳春嬋

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.火箭軍裝備部駐北京地區第一軍事代表室，北京 100076)

1 引 言

熱流傳感器是用來測試熱流密度的傳感器，目前應用最廣泛的熱流傳感器有兩大類：一種是熱阻式熱流傳感器，使用溫度通常在200℃以下，熱流密度在20kW/m2以下；另一種是圓箔式熱流傳感器，使用溫度較高，熱流密度范圍可達到5mW/m2，主要用于航天型號研制及冶金、化工等工業領域的高強度輻射熱流的測試[1]。

在航天型號研制過程中，例如在航天新材料研制及飛行器的熱控系統中，大量使用熱阻式熱流傳感器，此外，該傳感器還用來測試地熱、管道或者壁面的保溫性能和熱量損失，在節能減排工作中廣泛使用。因此，開展熱阻式熱流傳感器校準技術研究，對保障飛行器防熱結構設計、熱控設計、航天航空新材料研制及衛星、空間站熱流測量的準確性意義重大。此外，建立熱阻式熱流傳感器校準裝置也可以在節能減排工作中發揮作用，為國民經濟發展做出貢獻。

2 熱阻式熱流傳感器測量原理

假設一無限大的單層導熱模型，如圖1所示。內表面溫度T1總高于外表面溫度T2，而且T1和T2都是不隨時間變化的穩定溫度。

圖1 單層平壁穩定傳熱Fig.1 Steady heat transfer of single-layer flat wall

試驗表明，通過爐墻向外傳出的熱流量Q必定與溫度差(T1-T2)以及爐墻面積S成正比，而與爐墻厚度Δx成反比。試驗還表明在同樣大小的溫度差，面積和厚度的情況下，爐墻傳出的熱流量Q還與爐墻的材料有關。

(1)

式中：λ——導熱系數，表征材料的導熱能力，W/mK。

當墻內溫度分布不均時，將墻內任一點處沿x方向的溫度增加率稱為溫度梯度為

(2)

在單向導熱問題中，溫度梯度是沿x方向的溫度增加率，負號表示溫度梯度與導熱的方向是相反。此時導熱計算公式可以變成更具普遍意義的形式

(3)

定義q代表每平米面積每小時所傳遞的熱量，也被稱為熱流密度，則

(4)

如果兩個等溫面平行并且溫差為ΔT時，則

(5)

此時，只需要測出這個溫差就可以得到熱流值，熱阻式熱流傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 熱阻式熱流傳感器測頭Fig.2 Metal heat flow probe

把兩種不同的導體兩端接合在一起，構成閉合環路，當兩接點有溫差時，回路中存在一個與溫差成單調關系的Seebeck熱電動勢。如固定一個接點溫度不變，則可測量此回路中的電動勢，確定出另一接點的溫度，這就是熱電偶測溫的原理。

如果采用康銅箔作為金屬片，兩邊鍍上銅或銀就形成一對溫差熱電偶，這樣就能直接測出溫差，而這個溫差是與熱流密度成比例的，溫差的數值也是與熱電勢的大小成比例的。此時輸出的溫差熱電勢就直接反映了熱流密度的大小。

q=C×E

(6)

式中：C——熱流測頭系數，W/(m2·mV)；E——測頭輸出電勢，mV。

3 熱阻式熱流傳感器校準方法

熱流傳感器在出廠前或使用前都要進行校準，通過校準結果對傳感器的靈敏系數進行調整，靈敏系數是由通過傳感器的熱流密度和輸出電勢決定的。

熱阻式熱流傳感器的標定主要是標定測頭系數C，標定時必須要有一個穩定的具有確定方向的一維熱流，其熱流密度的數值能夠準確測定并且可以調整，表面應是可調溫度的等溫面。若要確定傳感器的熱阻，還必須在標定的同時測出傳感器兩面的溫差以及傳感器的厚度。

目前國際上通用的校準熱阻式熱流傳感器的方法為保護熱板法。保護熱板法基于無限大平板的單向穩定傳熱原理，保護熱板裝置可產生一個一維的均勻熱流，其熱流和溫度均可以調節，標定設備的結構如圖3所示。

圖3 保護熱板裝置結構圖Fig.3 Structure of protection hot plate device

熱流傳感器放置于主加熱器和冷板之間，調整保護圈加熱器的功率，使主加熱器和保護加熱器的溫度相等，還要使主加熱器底部溫度和底部加熱器溫度相等，保證一維穩定熱流的條件。

主加熱器所發出的熱流均勻垂直的通過熱流測頭，熱流密度可以計算得到

(7)

式中：U——中心熱板加熱器電壓，V；I——通過加熱器的電流，A；S′——主加熱板面積，m2。

保護熱板法校準的優點是校準準確度高，經過絕對法校準的熱流計可以作為標準熱流計去校準其他熱流計。

4 保護熱板法研究進展

保護熱板法是國際上最通用的測量絕熱材料導熱系數的標準方法之一。美、英、德和日本等國家都制訂有保護熱板法測量絕熱材料導熱系數的國家標準。國際標準化組織ISO/TC163(ISO/DIS8302)已確認此法為國際標準方法之一。我國對ISO 8302標準進行了同等引用，制訂了標準GB/T 10294-2008，并在2008年發布并實施。

4.1 國外保護熱板裝置研究進展

4.1.1標準ASTMC177介紹[2]

美國材料與試驗協會(ASTM)發布了一項采用保護熱板法對穩態熱流和熱傳導性質進行測量的標準，最新標準號為ASTM C 177-13。標準建立了實驗室環境下，可用于測量導熱系數和測量穩態熱流的保護熱板裝置。

主加熱板為計量部分提供穩定的熱流。保護熱板保證了裝置內穩定的熱環境。冷板意在創造等溫平面。

在實際試驗過程中，由于樣品及熱板的尺寸限制，以及控溫環境與計量部分邊緣的溫度差異，會產生側向熱流。保護熱板的作用就是限制側向熱流的大小。防護熱板的尺寸主要由側面部分與計量部分面積的比例以及樣品厚度等決定。試驗樣品需為扁平形狀，應有足夠大的面積才可滿足計量精度要求。當采用雙試樣方法時，需保證兩試樣盡量相同，并保證裝置的對稱性。

4.1.2國外典型裝置

2011年F.Arpino，M.Dell’Isola，G.Ficco等人設計了一種可用于5W/m2到100W/m2熱流量范圍內的熱流計校準裝置，并利用商業有限元軟件進行了仿真，理論上可以將不確定度限制在2%以內。該系統被設計成可實現兩種功能，測量絕熱材料導熱系數和用絕對法校準熱流傳感器。其冷板和熱板之間夾有三塊不同厚度導熱系數已知的硼硅玻璃。當校準熱流傳感器時可通過測量加熱器功率和測量導熱材料兩側溫差兩種方式求得熱流。

4.1.3GB/T10294-2008/ISO8302介紹[3～4]

我國對國際標準ISO 8302進行了同等引用，并于2008年發布了最新國家標準《GB/T 10294-2008絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定——防護熱板法》。

裝置原理與標準C177中所描述標準相同，在穩態條件下，建立類似于以兩個平行的溫度均勻的平面為界的無限大平板中存在的一維的均勻熱流密度。裝置可建造成雙試樣和單試樣兩種形式。

加熱單元由分離的計量部分和圍繞計量部分的防護部分組成，它們之間有一條隔縫，在計量部分形成一維均勻的穩態熱流。冷卻單元可以是連續的平板，但最好與加熱單元類似。

4.2 國內典型裝置

1994年，同濟大學楊惠林、徐駿華等人研制了TFD-1型保護熱板法導熱儀。裝置選用的熱板尺寸是300mm×300mm，主熱板尺寸是150mm×150mm，間隙是2mm；主、護熱板由3mm厚的鋁板制成，在絕緣材料上均勻繞制電熱絲作為主、護熱板的加熱器；主護熱板之間采用耐溫的非金屬連接件，并用粘結劑膠合[5]。

2010年，上海交通大學的李滿峰研發了一種保護熱板裝置，該裝置工作于液氮制冷的環境中，用于測量各種板材的導熱系數。裝置采用對稱雙樣品的工作方式，主要由熱板及保護熱板、冷板、導軌、控制與測量系統等部分構成，測試樣品安裝于主熱板兩側，被導軌機構固定于兩側冷板之間，由夾緊裝置施加固定力用于固定樣品，從而實現測量功能[6]。

2012年上海交通大學的胡文濤對熱流計校準及其溫度控制系統進行了研究。分別設計了模糊PID控制器和BP神經網絡PID控制器，并進行了仿真對比。同時基于LabVIEW平臺進行了數據采集與溫度控制等的設計。2013年，上海市計量測試技術研究院的葛志松、蔡萍等人申請了“熱阻式熱流計校準方法及其實施裝置”的發明專利。

5 熱阻式熱流傳感器校準裝置

北京航天計量測試技術研究所建立的校準裝置采用絕對法——保護熱板法，將被校熱流傳感器置于一維的均勻熱流場中，該一維均勻熱流場的熱流可以調節，從而實現熱流傳感器的校準。

5.1 裝置總體結構設計

該系統由熱板(主熱板、保護熱板等)、冷板、溫度控制系統、冷卻系統、真空系統和數據采集系統等部分組成。

5.2 熱板設計

5.2.1主熱板設計

在進行熱阻式熱流傳感器校準時，傳感器置于主熱板及冷板之間，主加熱器將電能轉化為熱能對主熱板進行加熱，并以熱流的形式通過熱流傳感器。由于保護熱板與主熱板溫度一致，主熱板的熱量不會向保護熱板傳遞，只能通過熱流傳感器，流向冷板。

熱板由加熱器和均熱板構成。加熱器的繞制必須保證熱板溫度的均勻性及穩定性。經軟件仿真計算，溫度均勻性優于0.1℃，繞制的加熱器表面溫度均勻性能夠滿足設計指標要求。

5.2.2漏熱保護設計

裝置的漏熱保護設計是影響裝置測量不確定度的關鍵因素。為防止主熱板漏熱，保證標準熱流源產生穩定的一維熱流，采用了在主熱板的側面加保護熱板、后面加底面保護熱板的方法，通過使各保護熱板的溫度跟蹤主熱板溫度，最后使各保護熱板的溫度與主熱板溫度達到一致。

同時，在主熱板和保護熱板中間填充絕熱材料，并在整個標準熱源的四周加裝絕熱材料，保證了主熱板的熱量作用到被校熱流傳感器上。

5.3 冷板設計

冷板采用“迷宮式”的水槽板，表面貼裝溫度傳感器檢測冷板溫度、冷卻水入口溫度以及出口溫度。冷板的溫度由冷卻系統供給溫度恒定的冷卻水來保證。冷板尺寸與熱板尺寸相同，結構示意圖如圖4所示。

圖4 冷板結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of cold plate structure

冷板表面加裝防結露的橡膠蓋板，并固定在外殼蓋上。使用時，借助絲杠上下移動，還可以根據需要改變壓緊的壓力大小。

在冷板的入水口及出水口加裝溫度傳感器及流量傳感器，通過監測溫度及流量參數計算冷板帶走的熱量。

5.4 溫度控制系統

溫度控制系統保障熱板與冷板產生穩定的一維傳熱，由電源、溫度控制器、溫度傳感器和檢測儀表組成。通過穩壓電源給主熱板加熱器加熱，使主熱板溫度上升；通過監測主熱板和側面保護熱板、主熱板和底部保護熱板之間的溫度差，將溫差信號輸入到溫度控制器,溫度控制器控制對側面保護熱板和底部保護熱板各自加熱的電源，使得主熱板與側面保護熱板及底部保護熱板的溫差小于0.1℃，如圖5所示。

圖5 溫度控制系統原理簡圖Fig.5 Schematic diagram of temperature control system

控制系統采用高精度測量、閉環控制系統，其中的反饋測量直接影響溫度控制的穩定性，本項目高精度溫度傳感器作為反饋元件的方式，采用PID控制實現穩定的溫度控制，使保護熱板對主熱板的溫度跟蹤小于0.1℃。

6 結束語

本文對熱阻式熱流傳感器的校準方法——保護熱板法進行了研究，對其主要結構及各部分功能進行了描述。保護熱板法作為國際上通用的用于熱阻式熱流傳感器校準的方法得到了廣泛的應用，項目研究可實現熱阻式熱流傳感器量值的準確傳遞，也可以在節能減排工作中發揮作用，為國民經濟發展做出貢獻。