熱流傳感器

自德國的Henky教授在1914年制造出第一個(gè)熱流傳感器以來:

第1階段:線繞式熱流傳感器

上世紀(jì)20年代開始，在康銅絲或其它材料的熱電偶絲上利用電鍍工藝制造熱電堆。

典型結(jié)構(gòu):用金屬絲(如康銅)先在眾多的絕緣板條上繞線圈，然后將此金屬絲線圈(如康銅)的一半鍍上另一種金屬(如銅)，在絕緣板條的兩面形成眾多串聯(lián)的熱電偶一一即串聯(lián)的熱電偶線圈--銅與康銅的交接點(diǎn)形成熱電偶的冷、熱節(jié)點(diǎn)(熱電堆)。多個(gè)熱電堆再焊接串聯(lián)或并聯(lián)后，平鋪粘結(jié)在兩平面絕緣保護(hù)硅膠板間形成熱流傳感器。

第2階段:半導(dǎo)體式熱流傳感器

上世紀(jì)60年代末開始，利用半導(dǎo)體工藝制造熱電堆。

典型結(jié)構(gòu):在硅片上用半導(dǎo)體工藝制造熱電堆，一般使用環(huán)氧樹脂封裝保護(hù)。

第3階段:超薄(薄膜式)熱流傳感器

上世紀(jì)90年代中開始，利用大規(guī)模集成電路制造工藝:濺射或激光熔刻技術(shù)制造熱電堆。

典型結(jié)構(gòu):使用濺射和激光熔刻技術(shù)制造熱電堆，一般使用聚酰亞胺薄膜封裝保護(hù)。

熱流傳感器是測量熱傳遞(熱流密度或熱通量)的基本工具，是構(gòu)成熱流計(jì)的最關(guān)鍵器件。

熱流傳感器的性能和用途決定了熱流計(jì)的性能和用途。

熱阻式(熱電堆式熱流傳感器或稱溫度梯度型熱流傳感器)是應(yīng)用最普遍的一類熱流傳感器。這類傳感器的原理是:當(dāng)有熱流通過熱流傳感器時(shí)，在傳感器的熱阻層上產(chǎn)生了溫度梯度，根據(jù)付立葉定律就可以得到通過傳感器的熱流密度，設(shè)熱流矢量方向是與等溫面垂直:

q = dQ / ds = -λ dT / dX

式中:q 為熱流密度;dQ 為通過等溫面上微小面積，dS 流過的熱量;dT / dX 為垂直與等溫面方向的溫度梯度;λ 為材料的導(dǎo)熱系數(shù);如果溫度為 T 和 T + ΔT 的兩個(gè)等溫面平行時(shí):

q = - λΔT / ΔX

式中:ΔT為兩等溫面的溫差;ΔX為兩等溫面之間的距離。

只要知道熱阻層的厚度 ΔX，導(dǎo)熱系數(shù) λ，通過測到的溫差 ΔT 就可以知道通過的熱流密度。當(dāng)用一對熱電偶測量溫差 ΔT 時(shí)，這個(gè)溫差是與熱流密度成正比的，溫差的數(shù)值也與熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢的大小成正比例，因此測出溫差熱電勢就可以反映熱流密度的大小:

q = Kr·E

式中:Kr為熱流傳感器的分辨率，W/(㎡·μv);E為測頭溫差熱電勢;

分辨率Kr 是熱阻式熱流計(jì)的重要性能參數(shù)，其數(shù)值的大小反映了熱流傳感器的靈敏度。Kr 數(shù)值越小則熱流傳感器越靈敏，其倒數(shù)被稱為熱流傳感器的靈敏度Ks(Ks=1/Kr)。

為了提高熱流傳感器的靈敏度，需要加大傳感器的輸出信號，因此就需要將眾多的熱電偶串聯(lián)起來形成熱電堆，這樣測量的熱阻層兩邊的溫度信號是串連的所有熱電偶信號的逐個(gè)疊加，信號大能反映多個(gè)信號的平均特性。

熱電堆是熱阻式熱流傳感器的核心元件，也是其他輻射式熱流傳感器的核心元件。

也稱熱流傳感器的標(biāo)定或校準(zhǔn)。

熱流傳感器計(jì)作為熱流計(jì)的關(guān)鍵性一次敏感元件，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是熱流計(jì)可否信賴的關(guān)鍵。

因此熱流傳感器在出廠前或使用一段時(shí)間后都要進(jìn)行標(biāo)定。

另外，熱流傳感器在使用時(shí)，常常是粘貼在被測物體和表面或者埋沒在被測物體的內(nèi)部，這都會(huì)影響被測物體原有的傳熱狀況，為了對這個(gè)影響有一個(gè)準(zhǔn)確的估計(jì)，就必須知道熱流傳感器自身的熱阻等性能，這也要在標(biāo)定過程中加以確定。

保護(hù)熱板法是國際上最通用的測量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。

美國、歐盟等都制訂有保護(hù)熱板法測量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 163也已確認(rèn)此法為國際標(biāo)準(zhǔn)方法之一。也是現(xiàn)在熱流傳感器校準(zhǔn)最為準(zhǔn)確的方法。

我國相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T 10294(等效國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/DIS 8302)

用比較法標(biāo)定熱流傳感器也與用比較法測定絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)相類似。把待標(biāo)定的熱流傳感器與經(jīng)絕對法標(biāo)定的作為標(biāo)準(zhǔn)的熱流傳感器以及絕熱材料做成的緩沖塊一起，放在表面溫度保持穩(wěn)定均勻的熱板和冷板之間。

利用標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器的分辨率KR和輸出電勢E，就可以算出熱流密度q，于是也就能確定熱流傳感器的分辨率。

這種方法標(biāo)定的準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器分辨率的準(zhǔn)確度，此外還要受到設(shè)備中熱板和冷板的溫度控制精度的影響以及邊緣熱損失的影響，標(biāo)定誤差可以達(dá)到5%左右。

我國相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T 10295(等效國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/DIS 8301)

以日本昭和電株式會(huì)社為代表的一種標(biāo)定裝置。

這種裝置采用了與單試樣的保護(hù)熱板類似的熱板，但沒有冷板。將測頭的一面貼在板面上，另一面直接暴露在室內(nèi)空氣中，校準(zhǔn)方法和上面提到過的保護(hù)熱板法一樣。

使用這種裝置標(biāo)定容易受到外界條件變化的影響，并且在標(biāo)定時(shí)熱板發(fā)出的熱流由于傳感器的存在而引起扭曲。

(說明:熱流傳感器的三種校準(zhǔn)方法摘自原子能出版社《熱學(xué)計(jì)量》的有關(guān)章節(jié))

熱流傳感器與被測物粘貼緊密程度對熱流測量精度的影響: 熱流傳感器與被測物粘貼的緊密程度，對熱流的穩(wěn)定時(shí)間有著非常大的影響。粘貼越緊密，穩(wěn)定越快，測量偏差越小;反之，測量偏差越大。因此，在瞬態(tài)熱流傳感器的使用過程中，要盡量保證熱流熱流傳感器能夠緊密地粘貼被測物體，這樣才能減少測量時(shí)間，提高測量精度。導(dǎo)熱膠(導(dǎo)熱硅脂)的應(yīng)用，為解決這個(gè)問題提供了非常好的條件。

熱流傳感器厚度對熱流測量精度的影響:

當(dāng)熱流傳感器厚度為0.1mm時(shí)，被測物表面熱流穩(wěn)定非?？?，從開始到穩(wěn)定只用了約0.5s的時(shí)間，通過熱流傳感器的熱流值與實(shí)際值相差2.92%。當(dāng)熱流傳感器厚度增加到1mm時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到了8s，為原來的16倍，熱流值的偏差達(dá)到了6.26%。這主要是由于熱流傳感器厚度的增加，加大了熱流傳感器引入的熱阻，使通過熱流傳感器的熱流值產(chǎn)生了較大偏移。

熱流傳感器邊長對熱流測量精度的影響:

熱流傳感器邊長的改變并沒有給熱流的穩(wěn)定時(shí)間造成太大影響，卻給穩(wěn)定值帶來較大的偏差。邊長從5mm變成10mm時(shí)，穩(wěn)定熱流值減小了8.4%，與實(shí)際值相差6.51%;邊長從10mm變?yōu)?0mm時(shí)，熱流減小了4.3%，與實(shí)際值相差1.94%;邊長從20mm變?yōu)?0mm時(shí)，熱流僅僅減小了0.4%，已經(jīng)和真實(shí)值基本重合。這說明，熱流傳感器邊長越長，穩(wěn)定值越準(zhǔn)確，且邊長一定存在著一個(gè)最優(yōu)值。這個(gè)最優(yōu)值既能保證熱流傳感器盡可能小，又能保證所測熱流的準(zhǔn)確性。從本文的計(jì)算來看，這個(gè)最優(yōu)值約為20mm。當(dāng)被測物表面近似認(rèn)為半無限大時(shí)，20mm可能是測量精度和熱流傳感器尺寸的最佳結(jié)合點(diǎn)。

(上述內(nèi)容摘自《熱流計(jì)測量精度影響因素的數(shù)值分析》，節(jié)能，2005年第2期)

靈敏度Ks:或分辨率Kr(Kr=1/Ks)。在適用的傳感器尺寸下越高越好，可以確保測量精度和適應(yīng)眾多的測量需要。

熱流量程和工作溫度范圍:越寬越好。

精度:指熱流傳感器的線性。一般線繞式在5%~10%，半導(dǎo)體式和薄膜式在2%~5%。

熱阻抗:越小約好。

響應(yīng)時(shí)間:越快越好。短的數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間和瞬態(tài)熱流密度的測量。

厚度:越薄越好?？梢杂行б种骗h(huán)境變化對測量精度的影響。

柔韌性:柔性的傳感器可以有效抑制因接觸不良引起的測量誤差。

波長響應(yīng):僅輻射熱流，決定了測量輻射熱流密度的類型如紅外、陽光輻射或總輻射(紅外+可見光)。

盡管圓箔式熱流傳感器已經(jīng)存在約60年，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使許多新型熱流傳感器出現(xiàn)，如:

1、美國International Thermal Instrument公司應(yīng)用的半導(dǎo)體熱電偶材料制成的熱電堆型熱流傳感器，熱流量程可以達(dá)到3MW/㎡，工作溫度可以達(dá)到約900℃，且有較好的靈敏度系數(shù);增加水冷可以測量高達(dá)1900℃、30MW/㎡的熱流強(qiáng)度，用于空間測量總熱流(輻射+對流);

2、 法國Captec公司開發(fā)的直接感知熱流強(qiáng)度的傳感器(它雖然仍是基于空間溫度梯度的原理，但不是利用差分熱電偶-熱電堆-測量溫差)，熱流量程可達(dá)500kW/㎡，工作溫度可以達(dá)到約300℃，且有更高的靈敏度系數(shù);增加水冷可以測量高達(dá)1400℃、1.2MW/㎡的熱流強(qiáng)度，用于空間測量總熱流(輻射+對流)、總輻射、紅外輻射和陽光輻射強(qiáng)度，輻射測量響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到20ms。

但是，上述這些新型熱流傳感器在某些方面仍然不能取代圓箔式熱流傳感器，如在大熱流強(qiáng)度和高達(dá)10ms的快速響應(yīng)時(shí)間上。況且，新材料技術(shù)和新制造工藝的發(fā)展和使用，或許使圓箔式熱流傳感器能夠有更大的改進(jìn)。使其不僅保留超大量程和快速響應(yīng)時(shí)間，且克服其缺點(diǎn)如不能測量對流分量和低的靈敏度系數(shù)，使其具有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

全部圓箔式熱流傳感器能被修理和再校準(zhǔn)。

完整的修理和再校準(zhǔn)，其價(jià)格約為一個(gè)新傳感器的一半。修理和在校準(zhǔn)是構(gòu)成一個(gè)新傳感器的基礎(chǔ)，電纜也將重新鋪設(shè)，然后校準(zhǔn)整個(gè)元件。傳感器的修理僅適用于當(dāng)傳感器的主體沒有損壞時(shí)。

推薦每年一次的重新校準(zhǔn)，以避免因靈敏度系數(shù)的不正確而帶來的測量誤差。

航天部102所可以提供圓箔式熱流傳感器的校準(zhǔn)服務(wù)。