《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-24导热热流计

导热热流计热阻式热流传感器的工作原理当热流通过平板状的热流传感器时，传感器热阻层上产生温度梯度，根据傅立叶定律可以得到通过热流传感器的热流密度（W/m²）为 q=-λ∂t∂x式中∂t∂x——垂直于等温面方向的温度梯度，λ——热流传感器材料的导热系数，W/（m·℃）。式中负号表示热流密度方向与温度梯度方向相反。若热流传感器的两侧平行壁面，各保持均匀稳定的温度t和t+∆t，热流传感器的高度与宽度远大于其厚度，则可以认为沿高与宽两个方向温度没有变化，而仅沿厚度方向变化，对于一维稳定导热，可将上式写为 q=-λ∆t∆式中∆t——两等温面温差，∆x——两等温面之间的距离，m。由REF_Ref25249\h式（2）可知，如果热流传感器材料和几何尺寸确定，那么只要测出热流传感器两侧的温差，即可得到热流密度。根据使用条件，选择不同的材料做热阻层，以不同的方式测量温差，就能做成各种不同结构的热阻式热流传感器。如果用热电偶测量上述温差△t，并且所用热电偶在被测温度变化范围内，其热电势与温度呈线性关系时，其输出热电势与温差成正比，这样通过热流传感器的热流为 q=λEC'δ= E=C'Δt式中C——热流传感器系数，C=λC’δ，C'——热电偶系数；δ——热流传感器厚度,m；E——热电势，mV。C值反映了热流传感器的灵敏度。高热阻型传感器δ/λ值大，C值大，低热阻型传感器反之。在测传热工况非常稳定的情况下，高热阻型热流传感器易于提高测量精度及用于小热流量测量。但是由于高热阻型热流传感器比低热阻型热流传感器热惰性大，这使得热流传感器的反应时间增加。如果在传热工况波动较大的场合测定，就会造成较大的测量误差。热流传感器的种类很多，早期的热量传感器采用的是绕线式结构（REF_Ref26153\h图1）。常用的有用于测量平壁面的板式（WYP型）和用于测量管道的可挠式（WYR型）两种。平板热流传感器是由骨架、热电堆片及引线柱等组成。外形尺寸一般为130×130×1（mm）。热电堆片是由很多对热电偶串联绕在芯板上组成（REF_Ref26192\h图2）。平板热流传感器（b）可挠式热流传感器图1热流传感器的结构图1—骨架；2—热电堆片；3—引线柱图2热电堆片示意图1—芯板；2—热电偶接点；3—热电极材料A；4—热电极材料B由热电偶原理可知，总热电势等于各分电势叠加。因此当有微小热流通过热电堆片时，虽然芯板两面温差∆t很小，但也会产生足够大的热电势，以利于显示出热流量的数值，并达到一定的精度。热电堆的引出线相互串联，二端头焊于引线柱上，最后在表面贴上涤纶薄膜作为保护层。绕线式热量传感器由于手工制作，各传感器特性之间一致性差，分辨率较低，量程范围小。随着对高精度热流测量的需求，20世纪60年代末开始出现利用半导体材料制作热流传感器；由于采用半导体制造工艺，使得各热流传感器的一致性和性能（如工作温度、量程、分辨率和响应时间）得以大幅提高，量程范围增大。20世纪90年代中开始，采用大规模集成电路制造工艺制造热流传感器，出现具有更高测量精度的薄膜热流传感器，以满足更高精度测量的需要，使对微小热量变化的测量成为可能。热流传感器产生的热电势E，早期采用电位差计、动圈式毫伏表以及数字式电压表进行测量，利用REF_Ref26702\h式（3）求出热流。近些年出现的高精度数字式记录仪表或数据采集系统，不但可以直接显示测量的热流、显示数据曲线、打印报告等，还可以同时测量构件不同表面的温度，进而得出构件的热阻。多通道热流计是常用的数字式热流记录仪表，可以连接多个不同规格、类型的热流传感器。使用多通道热流计时，往往需要输入连接的传感器灵敏度C值或传感器分辨率1/C，仪器根据连接的传感器灵敏度或传感器分辨率，将输入电压值转化为热流值。热流传感器的校准热流传感器系数C表示的是：当热流传感器有单位热电势输出时，垂直通过其敏感元件的热流密度。当λ和C’值不受温度影响为定值时，C为常数。实际上热流传感器系数C对于给定的热流传感器不是一个常数，而是工作温度的函数。由于组成热流传感器的热电堆的材质、加工工艺等都会影响热流传感器系数C，因此每个热流传感器都必须分别校准。在常温范围内工作的热流传感器，校准的C值实际上可视为仪器常量，对测量不会造成很大误差。但用于测量冷库壁面热流时，由于工作温度远离标定时温度，实际的C值会低于原标定值；另外由于工作条件发生变化，将出现结露等复杂情况，如果不重新校准，会造成较大的测量误差。由REF_Ref26702\h式（3）可知，为了测定热流传感器系数C值，必须建立一个稳定的具有确定方向（单向或双向）的一维热流。热流传感器的校准方法有多种，常用的校准方法有平板直接法、平板比较法。1）绝对法绝对法也称为平板直接法。绝对法校准装置由加热单元（包括中心计量板与用绝热材料制造的保护环）、冷却单元（冷板）和测量系统等组成（REF_Ref29079\h图3）。被校准的热流传感器放置在加热单元与冷却单元之间，热流传感器周围放置一个与热流传感器厚度相同，由绝热材料制造的平均热阻接近的保护环。热流传感器与保护环组合的尺寸与加热单元相同中心计量板用稳定的直流加热，冷板是一恒温水套。根据不同的工况确定中心加热器的加热功率和恒温水的温度，调整保护环加热器的加热功率，使保护环表面的温度和中心计量板表面的温度一致，从而就在计量板和冷板之间建立起一个垂直于冷板和计量板（也垂直于热流计）的稳定的一维热流场。中心计量板的主加热器所发出的热流均匀垂直地通过热流传感器，热流密度可由下式求得 q=QF 式中Q——热流密度，W/m²；Q——中心计量板平均发热功率，W；F——中心热板面积，m²。（a）双试件（b）单试件图3平板直接法原理图A—中心计量板；B—保护环；C—冷板；D—热流传感器；E—传感器保护圈；F—背保护板；M—保温板；ti，k2—热板表面热电偶；t3，t4—热流传感器表面热电偶；ts，ta核，图中未提及—冷板表面热电偶；核，图中未提及ty—背保护板表面热电偶核核如果热流传感器两个复合板（热流传感器与保温层）的温差差异小于±2%，可以近似认为热流传感器两个复合板的温差相同，双试件中心计量板平均发热功率及热流传感器系数按照REF_Ref30072\h式（6）—REF_Ref30085\h式（8）计算。 Q=RI22 C1=qE1 C2=qE2式中C1，C2——被校准的热流传感器的系数，W/（m²·mV）；R——中心计量板的加热电阻，Ω；I——通过中心计量板的加热器的电流，A；E1，E2——热流传感器1和2输出的热电势，mV。单试件中心计量板平均发热功率及热流传感器系数按照REF_Ref30761\h式（9）及REF_Ref30784\h式（10）计算。 Q=RI2 C=qE 在校准时，应保证冷板、中心计量板之间的温差为10～40℃。进入稳定状态后，每隔30min连续测量热流计和保温板两侧温差、输出电势及热流密度。4次测量结果的偏差小于1%，且不是单方向变化时，校准结束。2）比较法平板比较法，简称比较法，其校准装置由加热板、冷板和测量系统等组成（REF_Ref25751\h图4）。把待校准的热流传感器放在两块经绝对法标定的热流传感器之间，每块热流传感器的周围放置一个与热流传感器厚度相同、由绝热材料制造的平均热阻接近的保护环。热流传感器与保护环组合的尺寸与加热板相同。加热板用稳定的直流加热，冷板是一恒温水套。图4平板比较法原理图A—加热板；B—待标热流传感器；C—冷板；C1，C2—标准热流传感器；E—传感器保护环；H—保温板；t—表面温度根据不同的工况确定加热板的加热功率和恒温水的温度，调整保护环加热器的加热功率，使保护环表面的温度和热流传感器表面的温度一致，从而就在加热板和冷板之间的中心区域建立起一个单向稳定的一维热流场，该热流均匀穿过标准热流传感器和被校热流传感器。测量标准热流传感器和被校准的热流传感器输出电势，利用REF_Ref26123\h式（11）确定被校准的热流传感器的系数C。校准时的具体要求与绝对法相同。 C=qE=C式中C，C1，C2——分别为被校准的热流传感器的系数和标准热流传感器的系数，W/（E1，E2——标准热流传感器输出电势，mV；E——被校准的热流传感器输出电势，mV。用绝对法校准，校准系数的不确定度优于±3%，重复性优于±2%。用比较法校准，校准系数的不确定度优于±5%，重复性优于±2%。用绝对法或比较法进行校准，若对校准结果有异议，以绝对法的校准结果为准。热阻式热流计的使用在使用热流计时，除了合理地选用仪表的量程范围，允许使用温度、传感器的类型、尺寸、内阻等有关参数外，还要注意正确的使用方法，否则会引起较大的误差（附录5）。在使用热流计前，应检查传感器的热流感知面和表面是否干净，是否有划损，若热流感知面和表面是脏的，测试前需要使用酒精棉清洁干净，待表面干燥后，再进行测试。热流传感器的安装有三种方法：埋入式、表面粘贴式和空间辐射式（REF_Ref9752\h图5）。埋入式和表面粘贴式是热阻式热流传感器常用的两种安装方法。被测物体表面的放热状况与许多因素有关，被测物体的散热热流密度与热流测点的几何位置有关。对于水平安装有均匀保温层的圆形管道，保温层底部的热流密度最低，保温层侧面热流密度略高于底部，保温层上部热流密度比下部和侧面大得多（REF_Ref9788\h图6）。在这种情况下，测点应选在能反应管道截面上平均热流密度的位置，一般选在截面上与管道水平中心线夹角约为45°和135°处。最好在同截面上选几个有代表性位置进行测量，与所得到的平均值进行比较，从而得到合适的测试位置。对于垂直平壁面和立管也可作类似的考虑，通过测试找出合适的测点位置。图5圆形截面管道保温层1—埋入式；2—表面粘贴式；3—空间辐射式图6热流传感器的安装方法表面放热状况热流传感器表面为等温面，安装时应尽量避开温度异常点。热流传感器表面应与所测壁面紧密接触，不得有空隙并尽可能与所测壁面平齐，如果热源的温度过高，使用适当的绝热工具粘贴和压紧。为此常采用胶液、石膏、黄油、凡士林等粘贴热流传感器。对于硅橡胶可挠式热流传感器，可以采用双面胶纸。有条件时，应采用埋入式安装（REF_Ref100