圓箔式熱流感測器

圓箔式熱流感測器由Robert Gardon發明，美國Medtherm公司和Vatell公司都可以提供成型的產品並可以提供感測器的定製。在我國的航天和航空部門也有製造，並在科研生產中大量使用。

基本介紹

• 中文名：圓箔式熱流感測器
• 外文名：Circular Foil Heat Flux Sensors
• 別稱：圓箔計
• 發明者：Robert Gardon
• 特性：結構簡單、相當堅固

特性

◆　結構簡單、相當堅固，且易於製造和價格低廉。

◆　測量熱流範圍較寬,最大可達50MW/㎡。

◆　測量輻射熱流，在有限條件下可以測量總熱流（輻射+對流）

◆　與光譜性質無關,即可以測量波長範圍從0～∞。

◆　時間相應最快可達10毫秒。

◆　產生的信號不用放大,能直接用數字電壓表或電子電位差計記錄。

◆　具有較好的穩定性和重複性。

正是由於圓箔式熱流計具有上述特點,曾得到套用廣泛，並沿用至今。

套用

圓箔式熱流感測器的主要套用包括：

◆　各種燃燒室內輻射熱通量的測量

◆　太陽能輻射強度

◆　火災實驗

◆　可燃性實驗的熱流標準

◆　材料研發

◆　熔爐研發

◆　其它熱傳遞研究

工作原理

概述

右圖為圓箔式熱流感測器原理結構圖。康銅箔是焊到空心圓柱體的銅熱沉上。一條銅引線焊到康銅箔中心，這樣就得到一個由銅引線—康銅箔—銅熱沉體組成的差分熱電偶對—熱電堆。焊在康銅箔中心的銅引線與焊在銅熱沉體上的銅引線構成熱電堆的輸出。

圓箔式熱流感測器結構簡圖

當熱輻射投射到圓的康銅箔的塗黑（高吸收率）表面上，這個輻射熱使康銅箔的溫度升高。且沿著康銅箔的徑向傳到銅熱沉體上，並通過熱沉沐耗散到周圍環境中去。當處於某一瞬時熱平衡，由於熱量沿康銅箔徑向流動（忽略中心線下的熱損失），康銅箔中心的溫度To高於它周徑上的溫度Ts。這個溫度差很容易被由銅引線—康銅箔、康銅箔—銅熱沉體構成的差分熱電偶檢測並輸出與之對應的電壓信號。這個電壓信號可以很容易地與投射在康銅箔上的輻射通量q建立起函式關係且經過標定，就可進行熱流測量。

靈敏度方程式推導

圓箔式熱流感測器靈敏度方程式的推導是基於傅立葉定律，並作如下假設：

假設1 設銅熱沉體的溫度To=0,有一輻射熱流q投射上去。由於康銅箔的厚度S很薄,此時沿康銅箔厚度方向上的熱梯度（即ΔT/ΔS=0）是0可以忽略的，康銅箔表面的熱損失也是可以忽略的。因為熱源的溫度很高，而圓箔上的溫度相比較不太高，況且輻射熱流是溫度的4次乘方的關係，這種差別顯得更大。大到熱流基本上與圓箔的溫度沒有關係，即可以認為Δq/ΔT≈0。

假設2 康銅箔的在溫度T時的導熱係數K與其基準溫度To時的導熱係數Ko可以用下式來近似表示：K=Ko(1+α×T)，式中α是單位溫升時的導熱係數的變化率；

可以得到下式：

ΔT×(1+ΔT×α/2)=q×R2↗/(4×Ko×S) ............（1）

它表明了除箔片材料具有不變的導熱係數（此時α=0）以外,熱流q和△T之間的關係不是線性關係。

美國Medtherm公司熱流感測器

假設3 但是實際上儀器輸出的電動勢是對應於溫差△T,而且康銅一銅熱電偶的溫度和電動勢的關係也不是線性的。若這二種非線性的影響能適當疊合使之正好互相抵消,則由康銅和銅製成的圓箔熱流計可以產生線性的熱流和電動勢的關係。

根據康銅在基準溫度T=0℃下的導熱係數Ko=0.051卡/厘米×秒×℃及α=0.00204/℃。因此，對康銅來說,式（1）可寫成：

ΔT×(1+ 0.00102×ΔT)=4.92×q×R↗2/S ............（2）

另一方面由標準的銅—康銅熱電偶分別保持在0℃和△T℃下所產生的電動勢E可得到下列關係：

E=0.0381△T+0.3924×10↗-4×△T↗2-28.7×10↗-9×△T↗3（毫伏）

假設4 在△T不很大的情況下,略去最後一項不計是不會產生很大誤差的,則可簡化為：

美國Vatell公司水冷輻射感測器

E=0.0381×△T(1+0.00103×△T) ............（3）

利用式(2)和(3)的括弧里一項的巧合,並將二式聯立可得：

E/q=0.187×R↗2/S

式中：E/q是康銅圓箔熱流計的靈敏度，單位是毫伏/卡×厘米×秒

R是康銅圓箔的半徑，單位為厘米

S是箔片的厚度，單位為厘米

回響時間方程式推導

圓箔式熱流感測器的回響時間方程式的推導也是非常的複雜，但同樣經過一些假設後可以得到近似的方程式如下：

t=3.7×R↗2

式中：t是圓箔式熱流感測器的時間常數(秒)，R是圓箔的半徑(厘米)

基於以上的推導過程和假設，必須提及的是：

1、 在將圓箔式熱流感測器與任何類型的對流熱傳遞一起使用時，其將出現最大問題。經過分析和實驗表明，由於輻射的假定徑向對稱、拋物線側面圖中箔片溫度分布曲線彎曲，對流熱傳遞輸出不正確。因為其錯誤數量是感測器幾何學、流體流量和熱傳遞係數的一個函式，所以很難判斷其是否正確。當感測器在有剪下流成分（包括大多數對流情況）的流量中使用時，誤差特別大。因此，如果使用圓箔式熱流感測器測量對流熱傳遞，應特別小心地將通過感測器徑向的溫差To–Ts保持在小範圍內。

美國Vatell公司水冷感測器

2、當在高熱通量情況下（如燃燒室）使用該感測器時，通常將其本體徹底水冷，以阻止溫度超過材料溫度極限。由於產生的溫度與感測器及存放其的周圍材料溫度不匹配，在測量對流熱傳遞時，不建議使用。對於水冷感測器，確保其表面上不會發生冷凝也非常重要。

3、為了測量純輻射，在實際使用中，通常是在康銅箔片前加裝透明窗—單晶矽片，以消除感測器表面—康銅箔片的對流。由於該感測器只能測量純輻射，所以其被稱為輻射計。但是，在這些輻射計中視野有限，且加裝的視窗會降低康銅箔的有效吸熱，故需要對測量結果予以修正。在粉塵較大的、能見度較低的污染環境中，也開發出可以對視窗表面吹氣以吹走感測器上的粉塵微粒的感測器，稱為氣體清洗（或氣體吹掃型）型感測器。

4、由於圓箔式熱流感測器不適合測量帶有對流分量的熱通量測量，以及其靈敏度係數較低不適合測量小熱流，所以常常是使用Schmidt-Boelter熱流感測器予以配合測量（美國Medtherm公司和Vatell公司也均可提供）。

Schmidt-Boelter熱流感測器簡介

Schmidt-Boelter熱流感測器也是基於空間溫度梯度的原理、利用熱電堆測量溫差的方法來測量通過其的熱通量。

Schmidt-Boelter感測器由成螺旋狀纏繞在一個電絕緣薄片上的康銅（銅鎳合金）絲製成，且薄片半邊的康銅絲表面具有電鍍銅。這個工藝在薄片兩面的電鍍終端創建了一排熱電偶結點，這些熱電偶可以測量通過由薄片構成的熱阻抗層的溫度差。傳統的Schmidt-Boelter感測器，薄片一邊的熱電偶產生第一個信號當熱能量到達它們時，而且薄片另一邊的熱電偶產生第二個信號當熱能量到達它們時，這兩個信號混合產生二階回響。傳統的結構獲得快速回響時間的唯一方法是使用非常薄的薄片，雖然可以降低第二個信號的影響但不能消除它。

美國Vatell公司非水冷感測器

Vatell的專利（US 6,186,661）設計是隔離薄片背面的熱電偶，且指引它們四周的熱量直接地進入外殼。這給予一個固有的快速回響時間，且沒有第二個信號。而且，薄片沒有非常的薄。實際上，它是做的較厚以降低位於外殼接點處的熱阻抗。Vatell使用氮化鋁（aluminium nitride）薄片代替陽極氧化鋁（anodized aluminium），環繞在3.5mm基片上四十圈產生最大250uV/(Watt/c㎡)的靈敏度，且一階回響時間小於10ms。

但是，Schmidt-Boelter熱流感測器具有溫度的依賴性，其靈敏度的增大大約是0.1%/℃。因此，對於大多數的套用，推薦使用水冷的Schmidt-Boelter熱流感測器，以最大限度的穩定溫度和消除這個變化。

Schmidt-Boelter熱流感測器主要技術規格
美國Vatell公司		美國Medtherm公司
最大瞬態熱通量	40 W/c㎡(400kW/㎡	最大熱通量量程	5～100 Btu/(ft↗2·s); 56.8～1136 kW/㎡
最大連續熱通量	10 W/c㎡(100kW/㎡	最小熱通量量程	0.2～4 Btu/(ft↗2·s); 2.27～45.4 kW/㎡
時間回響	10ms	回響時間	參考表2
最小靈敏度	150 uV/(W/c㎡); 0.015 uV/(W/㎡)	標稱輸出電壓	10mV

注意事項

眾所周知，熱傳遞的三種方式：傳導、輻射和對流，不會僅以一種方式存在，通常是其中的兩者或三者同時存在。因此在實際使用中，選擇適合的感測器型號是非常重要的，且必須考慮以下幾個方面：

熱傳遞方式：

1、對於純輻射測量，如果無波長回響要求，可以選用不帶視窗的感測器。如果有波長回響要求，可以選用帶有視窗的感測器，但測量結果需予以修正。有關不同材料的視窗的波長回響範圍和修正見下表：

表1、常用視窗材料的適用波長和透過率
透鏡材料	%傳遞（Transmission）	光譜範圍（μm）
Quartz（石英）	90	0.3～3
Salt（）	90	0.3～12
Sapphire（藍寶石）	85	0.3～5
Calcium Fluoride（熒石）	92	0.2～8
Zinc Selenide（硒化鋅）	70	0.6～17

2、對於輻射+對流的測量，不建議選用該類型感測器。

最大熱流強度和回響時間

因為圓箔式熱流感測器的回響時間是與其最大量程相關聯的，所以在選型時必須加以考慮。

表2、熱流量程與回響時間對照表
美國Vatell公司		美國Medtherm公司
熱流量程	回響時間	熱流量程	回響時間
0～5000 W/c㎡; 0～50 MW/㎡	≥20 ms	250～4000 Btu/(ft↗2·s); 2.84～45.46 MW/㎡	≤50 ms
0～1000 W/c㎡; 0～10MW/㎡	≥100 ms	50～200 Btu/(ft↗2·s); 0.57～2272.8MW/㎡	≤100 ms
0～30 W/c㎡; 0～300kW/㎡	≥400 ms	2～30 Btu/(ft↗2·s); 22.7～340.92kW/㎡	≤250 ms
0～5 W/c㎡; 0～50 kW/㎡	≥ 1 s

最大熱流強度和靈敏度係數

因為圓箔式熱流感測器的靈敏度係數是與其最大量程相關聯的，所以在選型時必須加以考慮。

所有圓箔式熱流感測器的標稱輸出均為10mv，所以當確定了最大熱流量程時，就可以計算其標稱靈敏度係數。例如當最大熱流量程為10MW/㎡，其對應的標稱靈敏度係數=1mv/(MW/㎡)=1μv/(kW/㎡)。

工作環境

一般當工作環境溫度大於150℃時，就應該選擇水冷圓箔式熱流感測器。

在粉塵較大的、能見度較低的污染環境中，建議選用氣體清洗（或氣體吹掃型）型感測器。

安裝方式

根據現場要求選擇適宜的感測器結構安裝方式，如：螺紋安裝、法蘭安裝等。

水冷感測器

對於冷卻水無特殊要求，只要冷卻水是清潔的。當然，使用軟化水是更加的好，可以避免因水的結垢而堵塞水冷管路。

對於水冷感測器，確保其表面上不會發生冷凝也非常重要。在低溫下使用，小心不能讓水管路內結冰，否則將膨脹和損壞感測器。另外，也不建議將幾個水冷感測器串聯在一起使用，以避免冷卻水的壓力降低。

修理和校準

全部圓箔式熱流感測器能被修理和再校準。

完整的修理和再校準，其價格約為一個新感測器的一半。修理和在校準是構成一個新感測器的基礎，電纜也將重新鋪設，然後校準整個元件。感測器的修理僅適用於當感測器的主體沒有損壞時。

推薦每年一次的重新校準，以避免因靈敏度係數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感測器的校準服務。

發展與展望

儘管圓箔式熱流感測器已經存在約60年，科學技術的發展使許多新型熱流感測器出現，如：

1、美國International Thermal Instrument公司套用的半導體熱電偶材料製成的熱電堆型熱流感測器，熱流量程可以達到3MW/㎡，工作溫度可以達到約900℃，且有較好的靈敏度係數；增加水冷可以測量高達1900℃、30MW/㎡的熱流強度，用於空間測量總熱流（輻射+對流）；

2、 法國Captec公司開發的直接感知熱流強度的感測器（它雖然仍是基於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500kW/㎡，工作溫度可以達到約300℃，且有更高的靈敏度係數；增加水冷可以測量高達1400℃、1.2MW/㎡的熱流強度，用於空間測量總熱流（輻射+對流）、總輻射、紅外輻射和陽光輻射強度，輻射測量回響時間可以達到20ms。

但是，上述這些新型熱流感測器在某些方面仍然不能取代圓箔式熱流感測器，如在大熱流強度和高達10ms的快速回響時間上。況且，新材料技術和新製造工藝的發展和使用，或許使圓箔式熱流感測器能夠有更大的改進。使其不僅保留超大量程和快速回響時間，且克服其缺點如不能測量對流分量和低的靈敏度係數，使其具有更加廣闊的套用領域。