熱流感測器

熱流感測器是測量熱傳遞（熱流密度或熱通量）的基本工具，是構成熱流計的最關鍵器件。熱流感測器的性能和用途決定了熱流計的性能和用途。

基本介紹

• 中文名：熱流感測器
• 構成：熱流計
• 用途：測量熱傳遞
• 部件：熱電堆式熱流感測器

產品分類

依據原理：	熱阻式，圓箔式，塞式（熱容式），2∏輻射式等
依據製造工藝：	線繞式，半導體式，超薄（薄膜）式等
依據工作溫度：	普通（小於200℃），高溫（最高可達1900℃）
依據傳熱方式：	傳導熱流，輻射熱流，對流熱流
依據測量對象（用途）：	表面，管道，輻射，地熱，火焰等
依據安裝方式：	接觸，非接觸（空間）
依據回響時間：	穩態，瞬態（快速回響）
依據冷卻方式：	自然，水冷

測量	形式	特點和用途
熱傳導或熱損失	接觸式，埋入安裝	小的埋孔和接觸熱阻，導熱係數儘可能一致，厚度越薄越好。用於固體中傳導熱流的測量，也可以用於比較法導熱係數的測定裝置
熱傳導或熱損失	接觸式，表面貼裝	厚度要薄（不破壞熱流場），小的熱阻，表面輻射係數儘可能一致。用於固體散熱損失（包括對流和輻射），水冷麵的對流傳熱測量
熱傳導或熱損失	接觸式，空間安裝	垂直對準無須接觸，不破壞熱流場，用於輻射傳熱的測量
熱流分布	純輻射式	消除對流和其它影響，測量純輻射熱流。用於（工業爐窯內）熱流分布的測量
熱流分布	全熱流式	測量對流和輻射熱流之和。用於（工業爐窯內）熱流分布的測量
流體輸送	熱量計	測量流體流量和流體熱焓值的乘積。用於測量流體輸送過程中的熱量
瞬態變化	熱容式，溫度變化式	利用溫度變化來測量。用於航空航天和軍工等測量瞬態變化很大的熱流量及其它特殊要求的場合

熱電堆式

熱阻式（熱電堆式熱流感測器或稱溫度梯度型熱流感測器）是套用最普遍的一類熱流感測器。這類感測器的原理是：當有熱流通過熱流感測器時，在感測器的熱阻層上產生了溫度梯度，根據付立葉定律就可以得到通過感測器的熱流密度，設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 為流過的熱量，dS 通過等溫面上微小面積；dT / dX 為垂直與等溫面方向的溫度梯度；λ 為材料的導熱係數；如果溫度為 T 和 T + ΔT 的兩個等溫面平行時：

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，導熱係數 λ，通過測到的溫差 ΔT 就可以知道通過的熱流密度。當用一對熱電偶測量溫差 ΔT 時，這個溫差是與熱流密度成正比的，溫差的數值也與熱電偶產生的電動勢的大小成正比例，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為熱流感測器的解析度，W/(㎡·μv)；E為測頭溫差熱電勢；

解析度Kr 是熱阻式熱流計的重要性能參數，其數值的大小反映了熱流感測器的靈敏度。Kr 數值越小則熱流感測器越靈敏，其倒數被稱為熱流感測器的靈敏度Ks（Ks=1/Kr）。

為了提高熱流感測器的靈敏度，需要加大感測器的輸出信號，因此就需要將眾多的熱電偶串聯起來形成熱電堆，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疊加，信號大能反映多個信號的平均特性。

熱電堆是熱阻式熱流感測器的核心元件，也是其他輻射式熱流感測器的核心元件。

發展進程

自德國的Henky教授在1914年製造出第一個熱流感測器以來：

第1階段：線繞式熱流感測器

上世紀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製造熱電堆。

典型結構：用金屬絲（如康銅）先在眾多的絕緣板條上繞線圈，然後將此金屬絲線圈（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的熱電偶一一即串聯的熱電偶線圈——銅與康銅的交接點形成熱電偶的冷、熱節點（熱電堆）。多個熱電堆再焊接串聯或並聯後，平鋪粘結在兩平面絕緣保護矽膠板間形成熱流感測器。

第2階段：半導體式熱流感測器

上世紀60年代末開始，利用半導體工藝製造熱電堆。

典型結構：在矽片上用半導體工藝製造熱電堆，一般使用環氧樹脂封裝保護。

第3階段：超薄（薄膜式）熱流感測器

上世紀90年代中開始，利用大規模積體電路製造工藝：濺射或雷射熔刻技術製造熱電堆。

典型結構：使用濺射和雷射熔刻技術製造熱電堆，一般使用聚醯亞胺薄膜封裝保護。

線繞式熱流感測器	半導體式熱流感測器	超薄（薄膜式）熱流感測器
手工製作，各感測器特性之間一致性差	非手工製作，各感測器特性之間一致性好	非手工製作，各感測器特性之間一致性好
解析度低，>10W/m2	解析度較高，<10W/m2	高解析度，<0.1W/m2
量程範圍小，分段	量程範圍大	量程範圍大
工作溫度範圍小，分段	工作溫度範圍大	工作溫度範圍大
回響時間慢	有較快的回響時間，典型0.1s	快的回響時間，高達20ms
3毫米左右厚度	1～1.5毫米左右厚度	超薄小於0.4毫米
易受環境變化影響	不易受環境變化影響	有效抑制環境變化的影響
柔性	非柔性	柔性

技術指標

靈敏度Ks：或解析度Kr（Kr=1/Ks）。在適用的感測器尺寸下越高越好，可以確保測量精度和適應眾多的測量需要。

熱流量程和工作溫度範圍：越寬越好。

精度：指熱流感測器的線性。一般線繞式在5%～10%，半導體式和薄膜式在2%～5%。

熱阻抗：越小約好。

回響時間：越快越好。短的數據穩定時間和瞬態熱流密度的測量。

厚度：越薄越好。可以有效抑制環境變化對測量精度的影響。

柔韌性：柔性的感測器可以有效抑制因接觸不良引起的測量誤差。

波長回響：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）。

影響因素

熱流感測器與被測物貼上緊密程度對熱流測量精度的影響： 熱流感測器與被測物貼上的緊密程度，對熱流的穩定時間有著非常大的影響。貼上越緊密，穩定越快，測量偏差越小；反之，測量偏差越大。因此，在瞬態熱流感測器的使用過程中，要儘量保證熱流熱流感測器能夠緊密地貼上被測物體，這樣才能減少測量時間，提高測量精度。導熱膠（導熱矽脂）的套用，為解決這個問題提供了非常好的條件。

熱流感測器厚度對熱流測量精度的影響：

當熱流感測器厚度為0.1mm時，被測物表面熱流穩定非常快，從開始到穩定只用了約0.5s的時間，通過熱流感測器的熱流值與實際值相差2.92%。當熱流感測器厚度增加到1mm時，穩定時間達到了8s，為原來的16倍，熱流值的偏差達到了6.26%。這主要是由於熱流感測器厚度的增加，加大了熱流感測器引入的熱阻，使通過熱流感測器的熱流值產生了較大偏移。

熱流感測器邊長對熱流測量精度的影響：

熱流感測器邊長的改變並沒有給熱流的穩定時間造成太大影響，卻給穩定值帶來較大的偏差。邊長從5mm變成10mm時，穩定熱流值減小了8.4%，與實際值相差6.51%；邊長從10mm變為20mm時，熱流減小了4.3%，與實際值相差1.94%；邊長從20mm變為30mm時，熱流僅僅減小了0.4%，已經和真實值基本重合。這說明，熱流感測器邊長越長，穩定值越準確，且邊長一定存在著一個最優值。這個最優值既能保證熱流感測器儘可能小，又能保證所測熱流的準確性。從本文的計算來看，這個最優值約為20mm。當被測物表面近似認為半無限大時，20mm可能是測量精度和熱流感測器尺寸的最佳結合點。

（上述內容摘自《熱流計測量精度影響因素的數值分析》，節能，2005年第2期）

檢定方法

也稱熱流感測器的標定或校準。

熱流感測器計作為熱流計的關鍵性一次敏感元件，其測量結果的準確性是熱流計可否信賴的關鍵。

因此熱流感測器在出廠前或使用一段時間後都要進行標定。

另外，熱流感測器在使用時，常常是貼上在被測物體和表面或者埋沒在被測物體的內部，這都會影響被測物體原有的傳熱狀況，為了對這個影響有一個準確的估計，就必須知道熱流感測器自身的熱阻等性能，這也要在標定過程中加以確定。

絕對法

保護熱板法是國際上最通用的測量絕熱材料導熱係數的標準方法之一。

美國、歐盟等都制訂有保護熱板法測量絕熱材料導熱係數的國家標準，國際標準化組織ISO/TC 163也已確認此法為國際標準方法之一。也是現在熱流感測器校準最為準確的方法。

我國相應的標準號為GB/T 10294（等效國際標準化組織 ISO/DIS 8302）

比較法

用比較法標定熱流感測器也與用比較法測定絕熱材料的導熱係數相類似。把待標定的熱流感測器與經絕對法標定的作為標準的熱流感測器以及絕熱材料做成的緩衝塊一起，放在表面溫度保持穩定均勻的熱板和冷板之間。

利用標準熱流感測器的解析度KR和輸出電勢E，就可以算出熱流密度q，於是也就能確定熱流感測器的解析度。

這種方法標定的準確度主要取決於標準熱流感測器解析度的準確度，此外還要受到設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，標定誤差可以達到5%左右。

我國相應的標準號為GB/T 10295（等效國際標準化組織 ISO/DIS 8301）

日本昭和式

以日本昭和電株式會社為代表的一種標定裝置。

這種裝置採用了與單試樣的保護熱板類似的熱板，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空氣中，校準方法和上面提到過的保護熱板法一樣。

使用這種裝置標定容易受到外界條件變化的影響，並且在標定時熱板發出的熱流由於感測器的存在而引起扭曲。

（說明：熱流感測器的三種校準方法摘自原子能出版社《熱學計量》的有關章節）