《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 3-24導(dǎo)熱熱流計(jì)

導(dǎo)熱熱流計(jì)熱阻式熱流傳感器的工作原理當(dāng)熱流通過(guò)平板狀的熱流傳感器時(shí)，傳感器熱阻層上產(chǎn)生溫度梯度，根據(jù)傅立葉定律可以得到通過(guò)熱流傳感器的熱流密度（W/m2）為 q=-λ?t?x式中?t?x——垂直于等溫面方向的溫度梯度，λ——熱流傳感器材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。式中負(fù)號(hào)表示熱流密度方向與溫度梯度方向相反。若熱流傳感器的兩側(cè)平行壁面，各保持均勻穩(wěn)定的溫度t和t+?t，熱流傳感器的高度與寬度遠(yuǎn)大于其厚度，則可以認(rèn)為沿高與寬兩個(gè)方向溫度沒(méi)有變化，而僅沿厚度方向變化，對(duì)于一維穩(wěn)定導(dǎo)熱，可將上式寫(xiě)為 q=-λ?t?式中?t——兩等溫面溫差，?x——兩等溫面之間的距離，m。由REF_Ref25249\h式（2）可知，如果熱流傳感器材料和幾何尺寸確定，那么只要測(cè)出熱流傳感器兩側(cè)的溫差，即可得到熱流密度。根據(jù)使用條件，選擇不同的材料做熱阻層，以不同的方式測(cè)量溫差，就能做成各種不同結(jié)構(gòu)的熱阻式熱流傳感器。如果用熱電偶測(cè)量上述溫差△t，并且所用熱電偶在被測(cè)溫度變化范圍內(nèi)，其熱電勢(shì)與溫度呈線性關(guān)系時(shí)，其輸出熱電勢(shì)與溫差成正比，這樣通過(guò)熱流傳感器的熱流為 q=λEC'δ= E=C'Δt式中C——熱流傳感器系數(shù)，C=λC’δ，C'——熱電偶系數(shù)；δ——熱流傳感器厚度,m；E——熱電勢(shì)，mV。C值反映了熱流傳感器的靈敏度。高熱阻型傳感器δ/λ值大，C值大，低熱阻型傳感器反之。在測(cè)傳熱工況非常穩(wěn)定的情況下，高熱阻型熱流傳感器易于提高測(cè)量精度及用于小熱流量測(cè)量。但是由于高熱阻型熱流傳感器比低熱阻型熱流傳感器熱惰性大，這使得熱流傳感器的反應(yīng)時(shí)間增加。如果在傳熱工況波動(dòng)較大的場(chǎng)合測(cè)定，就會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。熱流傳感器的種類(lèi)很多，早期的熱量傳感器采用的是繞線式結(jié)構(gòu)（REF_Ref26153\h圖1）。常用的有用于測(cè)量平壁面的板式（WYP型）和用于測(cè)量管道的可撓式（WYR型）兩種。平板熱流傳感器是由骨架、熱電堆片及引線柱等組成。外形尺寸一般為130×130×1（mm）。熱電堆片是由很多對(duì)熱電偶串聯(lián)繞在芯板上組成（REF_Ref26192\h圖2）。平板熱流傳感器（b）可撓式熱流傳感器圖1熱流傳感器的結(jié)構(gòu)圖1—骨架；2—熱電堆片；3—引線柱圖2熱電堆片示意圖1—芯板；2—熱電偶接點(diǎn)；3—熱電極材料A；4—熱電極材料B由熱電偶原理可知，總熱電勢(shì)等于各分電勢(shì)疊加。因此當(dāng)有微小熱流通過(guò)熱電堆片時(shí)，雖然芯板兩面溫差?t很小，但也會(huì)產(chǎn)生足夠大的熱電勢(shì)，以利于顯示出熱流量的數(shù)值，并達(dá)到一定的精度。熱電堆的引出線相互串聯(lián)，二端頭焊于引線柱上，最后在表面貼上滌綸薄膜作為保護(hù)層。繞線式熱量傳感器由于手工制作，各傳感器特性之間一致性差，分辨率較低，量程范圍小。隨著對(duì)高精度熱流測(cè)量的需求，20世紀(jì)60年代末開(kāi)始出現(xiàn)利用半導(dǎo)體材料制作熱流傳感器；由于采用半導(dǎo)體制造工藝，使得各熱流傳感器的一致性和性能（如工作溫度、量程、分辨率和響應(yīng)時(shí)間）得以大幅提高，量程范圍增大。20世紀(jì)90年代中開(kāi)始，采用大規(guī)模集成電路制造工藝制造熱流傳感器，出現(xiàn)具有更高測(cè)量精度的薄膜熱流傳感器，以滿(mǎn)足更高精度測(cè)量的需要，使對(duì)微小熱量變化的測(cè)量成為可能。熱流傳感器產(chǎn)生的熱電勢(shì)E，早期采用電位差計(jì)、動(dòng)圈式毫伏表以及數(shù)字式電壓表進(jìn)行測(cè)量，利用REF_Ref26702\h式（3）求出熱流。近些年出現(xiàn)的高精度數(shù)字式記錄儀表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不但可以直接顯示測(cè)量的熱流、顯示數(shù)據(jù)曲線、打印報(bào)告等，還可以同時(shí)測(cè)量構(gòu)件不同表面的溫度，進(jìn)而得出構(gòu)件的熱阻。多通道熱流計(jì)是常用的數(shù)字式熱流記錄儀表，可以連接多個(gè)不同規(guī)格、類(lèi)型的熱流傳感器。使用多通道熱流計(jì)時(shí)，往往需要輸入連接的傳感器靈敏度C值或傳感器分辨率1/C，儀器根據(jù)連接的傳感器靈敏度或傳感器分辨率，將輸入電壓值轉(zhuǎn)化為熱流值。熱流傳感器的校準(zhǔn)熱流傳感器系數(shù)C表示的是：當(dāng)熱流傳感器有單位熱電勢(shì)輸出時(shí)，垂直通過(guò)其敏感元件的熱流密度。當(dāng)λ和C’值不受溫度影響為定值時(shí)，C為常數(shù)。實(shí)際上熱流傳感器系數(shù)C對(duì)于給定的熱流傳感器不是一個(gè)常數(shù)，而是工作溫度的函數(shù)。由于組成熱流傳感器的熱電堆的材質(zhì)、加工工藝等都會(huì)影響熱流傳感器系數(shù)C，因此每個(gè)熱流傳感器都必須分別校準(zhǔn)。在常溫范圍內(nèi)工作的熱流傳感器，校準(zhǔn)的C值實(shí)際上可視為儀器常量，對(duì)測(cè)量不會(huì)造成很大誤差。但用于測(cè)量冷庫(kù)壁面熱流時(shí)，由于工作溫度遠(yuǎn)離標(biāo)定時(shí)溫度，實(shí)際的C值會(huì)低于原標(biāo)定值；另外由于工作條件發(fā)生變化，將出現(xiàn)結(jié)露等復(fù)雜情況，如果不重新校準(zhǔn)，會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。由REF_Ref26702\h式（3）可知，為了測(cè)定熱流傳感器系數(shù)C值，必須建立一個(gè)穩(wěn)定的具有確定方向（單向或雙向）的一維熱流。熱流傳感器的校準(zhǔn)方法有多種，常用的校準(zhǔn)方法有平板直接法、平板比較法。1）絕對(duì)法絕對(duì)法也稱(chēng)為平板直接法。絕對(duì)法校準(zhǔn)裝置由加熱單元（包括中心計(jì)量板與用絕熱材料制造的保護(hù)環(huán)）、冷卻單元（冷板）和測(cè)量系統(tǒng)等組成（REF_Ref29079\h圖3）。被校準(zhǔn)的熱流傳感器放置在加熱單元與冷卻單元之間，熱流傳感器周?chē)胖靡粋€(gè)與熱流傳感器厚度相同，由絕熱材料制造的平均熱阻接近的保護(hù)環(huán)。熱流傳感器與保護(hù)環(huán)組合的尺寸與加熱單元相同中心計(jì)量板用穩(wěn)定的直流加熱，冷板是一恒溫水套。根據(jù)不同的工況確定中心加熱器的加熱功率和恒溫水的溫度，調(diào)整保護(hù)環(huán)加熱器的加熱功率，使保護(hù)環(huán)表面的溫度和中心計(jì)量板表面的溫度一致，從而就在計(jì)量板和冷板之間建立起一個(gè)垂直于冷板和計(jì)量板（也垂直于熱流計(jì)）的穩(wěn)定的一維熱流場(chǎng)。中心計(jì)量板的主加熱器所發(fā)出的熱流均勻垂直地通過(guò)熱流傳感器，熱流密度可由下式求得 q=QF 式中Q——熱流密度，W/m2；Q——中心計(jì)量板平均發(fā)熱功率，W；F——中心熱板面積，m2。（a）雙試件（b）單試件圖3平板直接法原理圖A—中心計(jì)量板；B—保護(hù)環(huán)；C—冷板；D—熱流傳感器；E—傳感器保護(hù)圈；F—背保護(hù)板；M—保溫板；ti，k2—熱板表面熱電偶；t3，t4—熱流傳感器表面熱電偶；ts，ta核，圖中未提及—冷板表面熱電偶；核，圖中未提及ty—背保護(hù)板表面熱電偶核核如果熱流傳感器兩個(gè)復(fù)合板（熱流傳感器與保溫層）的溫差差異小于±2%，可以近似認(rèn)為熱流傳感器兩個(gè)復(fù)合板的溫差相同，雙試件中心計(jì)量板平均發(fā)熱功率及熱流傳感器系數(shù)按照REF_Ref30072\h式（6）—REF_Ref30085\h式（8）計(jì)算。 Q=RI22 C1=qE1 C2=qE2式中C1，C2——被校準(zhǔn)的熱流傳感器的系數(shù)，W/（m2·mV）；R——中心計(jì)量板的加熱電阻，Ω；I——通過(guò)中心計(jì)量板的加熱器的電流，A；E1，E2——熱流傳感器1和2輸出的熱電勢(shì)，mV。單試件中心計(jì)量板平均發(fā)熱功率及熱流傳感器系數(shù)按照REF_Ref30761\h式（9）及REF_Ref30784\h式（10）計(jì)算。 Q=RI2 C=qE 在校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)保證冷板、中心計(jì)量板之間的溫差為10～40℃。進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，每隔30min連續(xù)測(cè)量熱流計(jì)和保溫板兩側(cè)溫差、輸出電勢(shì)及熱流密度。4次測(cè)量結(jié)果的偏差小于1%，且不是單方向變化時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)束。2）比較法平板比較法，簡(jiǎn)稱(chēng)比較法，其校準(zhǔn)裝置由加熱板、冷板和測(cè)量系統(tǒng)等組成（REF_Ref25751\h圖4）。把待校準(zhǔn)的熱流傳感器放在兩塊經(jīng)絕對(duì)法標(biāo)定的熱流傳感器之間，每塊熱流傳感器的周?chē)胖靡粋€(gè)與熱流傳感器厚度相同、由絕熱材料制造的平均熱阻接近的保護(hù)環(huán)。熱流傳感器與保護(hù)環(huán)組合的尺寸與加熱板相同。加熱板用穩(wěn)定的直流加熱，冷板是一恒溫水套。圖4平板比較法原理圖A—加熱板；B—待標(biāo)熱流傳感器；C—冷板；C1，C2—標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器；E—傳感器保護(hù)環(huán)；H—保溫板；t—表面溫度根據(jù)不同的工況確定加熱板的加熱功率和恒溫水的溫度，調(diào)整保護(hù)環(huán)加熱器的加熱功率，使保護(hù)環(huán)表面的溫度和熱流傳感器表面的溫度一致，從而就在加熱板和冷板之間的中心區(qū)域建立起一個(gè)單向穩(wěn)定的一維熱流場(chǎng)，該熱流均勻穿過(guò)標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器和被校熱流傳感器。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器和被校準(zhǔn)的熱流傳感器輸出電勢(shì)，利用REF_Ref26123\h式（11）確定被校準(zhǔn)的熱流傳感器的系數(shù)C。校準(zhǔn)時(shí)的具體要求與絕對(duì)法相同。 C=qE=C式中C，C1，C2——分別為被校準(zhǔn)的熱流傳感器的系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器的系數(shù)，W/（E1，E2——標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器輸出電勢(shì)，mV；E——被校準(zhǔn)的熱流傳感器輸出電勢(shì)，mV。用絕對(duì)法校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)的不確定度優(yōu)于±3%，重復(fù)性?xún)?yōu)于±2%。用比較法校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)的不確定度優(yōu)于±5%，重復(fù)性?xún)?yōu)于±2%。用絕對(duì)法或比較法進(jìn)行校準(zhǔn)，若對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果有異議，以絕對(duì)法的校準(zhǔn)結(jié)果為準(zhǔn)。熱阻式熱流計(jì)的使用在使用熱流計(jì)時(shí)，除了合理地選用儀表的量程范圍，允許使用溫度、傳感器的類(lèi)型、尺寸、內(nèi)阻等有關(guān)參數(shù)外，還要注意正確的使用方法，否則會(huì)引起較大的誤差（附錄5）。在使用熱流計(jì)前，應(yīng)檢查傳感器的熱流感知面和表面是否干凈，是否有劃損，若熱流感知面和表面是臟的，測(cè)試前需要使用酒精棉清潔干凈，待表面干燥后，再進(jìn)行測(cè)試。熱流傳感器的安裝有三種方法：埋入式、表面粘貼式和空間輻射式（REF_Ref9752\h圖5）。埋入式和表面粘貼式是熱阻式熱流傳感器常用的兩種安裝方法。被測(cè)物體表面的放熱狀況與許多因素有關(guān)，被測(cè)物體的散熱熱流密度與熱流測(cè)點(diǎn)的幾何位置有關(guān)。對(duì)于水平安裝有均勻保溫層的圓形管道，保溫層底部的熱流密度最低，保溫層側(cè)面熱流密度略高于底部，保溫層上部熱流密度比下部和側(cè)面大得多（REF_Ref9788\h圖6）。在這種情況下，測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在能反應(yīng)管道截面上平均熱流密度的位置，一般選在截面上與管道水平中心線夾角約為45°和135°處。最好在同截面上選幾個(gè)有代表性位置進(jìn)行測(cè)量，與所得到的平均值進(jìn)行比較，從而得到合適的測(cè)試位置。對(duì)于垂直平壁面和立管也可作類(lèi)似的考慮，通過(guò)測(cè)試找出合適的測(cè)點(diǎn)位置。圖5圓形截面管道保溫層1—埋入式；2—表面粘貼式；3—空間輻射式圖6熱流傳感器的安裝方法表面放熱狀況熱流傳感器表面為等溫面，安裝時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)溫度異常點(diǎn)。熱流傳感器表面應(yīng)與所測(cè)壁面緊密接觸，不得有空隙并盡可能與所測(cè)壁面平齊，如果熱源的溫度過(guò)高，使用適當(dāng)?shù)慕^熱工具粘貼和壓緊。為此常采用膠液、石膏、黃油、凡士林等粘貼熱流傳感器。對(duì)于硅橡膠可撓式熱流傳感器，可以采用雙面膠紙。有條件時(shí)，應(yīng)采用埋入式安裝（REF_Ref100