热流计

热流密度: 垂直于热流方向的单位面积的热流量。q=dQ/dA(W/m2)。热流计(heat flow meter): 由热流传感器(或称热流测头)连接测量指式仪表组成的热工仪表。使用时将其传感器埋设在绝热结构内或贴敷在绝热结构的外表面,可直接测量得到热(冷)损失值。热流传感器(heat flux transduser; HFT): 利用在具有确定热阻的板材上产生温差来测量通过它本身的热流密度的装置。其输出电势(V)与通过传感器的热流密度(q)成正比。它是由芯板、表面温差检测器和起保护及热阻尼作用的面板等组成

近年来,在热分析节能监察的领域中,热流测量的必要性已被重视和确认。仅测量温度是无法获知重要的热信息。多通道热流计HFM,测定精度及重复性比绝对校正法更为优越,并且多通道热流计HFM的操作非常简单。热流计HFM系列在各方面受到很高的评价,也被众多的用户所使用。

由热流传感器、显示仪表及联接导线组成。显示仪表可以是数字电压表,也可以是数据记录仪或数据采集系统。

热传导测试

这是热流计最常用的一种应用,主要是对各种设备的保温性能测试,包括各种工业炉窑、热力输送管道、建筑物、冷库、纺织物和服装、人员输送工具(客车、客轮、客机等)、暖棚等,地热和土壤热流的测试,制造热流法热导率测试设备等等。

对于各种工业炉窑、热力输送管道、建筑物、冷库等的保温性能测试,通常被称为节能监测(节能检测或节能测试),对于此类测试我国已有相应的国家标准,如GB/T 4272-2008 设备及管道保温技术通则,GB/T 8174-2008 设备及管道保温效果的测试与评价,GB/T 10295-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-热流计,GB/T 17357-2008 设备及管道绝热层表面热损失现场测定-热流计法和表面温度法。。

热辐射测试

包括辐射加热源,阳光辐射强度和太阳能设备,火灾的发生和防护,火药、炸药、推进剂的热强度和热分布,各种燃烧室的热强度和热分布,人工环境的热舒适测试和控制,高温风洞试验,等等。

在此类测试中有些项目可以需要考虑同时进行热对流的测试。

此类测试有些也有相应的国家标准,如:GB/T 11785-2005等。

热对流的测试

强制对流换热设备的测试等。

依据热传递方式

依据连接传感器的数量

依据体积重量

发展历史

因为热流传感器是热流计的一个敏感元件,因此热流传感器的发展进程决定的热流计的发展进程。

1914年,出现了最早应用于现场直接测量热流的热流传感器。当时德国的Henky教授要测量通过啤酒厂内地板的热流,他用10 cm厚的软木板覆盖地板,测出软木板上下两面的温度差,和软木板的导热系数从而计算出热流密度。

1924年,Schmidt设计了由绕在橡胶带上的热电堆组成的带状热流传感器用来测量带有保温层的管道的热流密度。一般认为这是第一种实用的热流传感器。当前广泛应用的热阻式热流传感器一直沿用了热电堆传感器这一基本型式。Schmidt热流传感器上的热电堆是用焊接的方式制成的,工艺比较复杂。1939年,为克服制作多点热电堆的困难, Gier和Boelter用在康铜丝上电镀银的方法制成了热流传感器用的热电堆(或称:线绕热阻式)。以后这种方法就逐步推广到制作各种热流传感器。这种线绕热阻式热流传感器的精度提不高的问题在于:一片板条上绕线圈只有板条的两个端头接触,无法定型规范,每一圈扁、圆不可能一致,而一个测头有几百圈,使得各个测头千差万别,另外线圈为了电镀必须是裸线,在制作过程中容易碰线从而改变性能,各线圈之间需要多点串连焊接,焊点状况也是各不相同焊点又多。由于结构形式和加工方法决定了各个传感器性能的离散性很大。为了确保各个传感器的线性,使其具有较高的精度,较窄的量程和使用温度范围。

由于是手工制作,因此各热流传感器的一致性(线长、电阻、电容、电感等)不是很高,分辨率较低,特别是在保证线性的基础上只能有较窄的量程。

1969年前后,随着对高精度热流测量的需求,提出了利用半导体材料制作热流传感器的感测元件:热电堆。既采用集成电路工艺,以硅膜作介质,采用扩散和粒子注人、硅外延、阳极氧化、腐蚀多孔硅、物理或化学气相淀积绝缘介质等技术在硅膜上制备热电堆。这类传感器具有具有线长一致、电阻、电容、电感一致等特点,因此具有更高的灵敏度、量程和工作温度范围。为通用领域提供经济实用精度更高的热流检测仪器。

由于采用了半导体制造工艺,使的各热流传感器的一致性(线长、电阻、电容、电感等)和性能(如工作温度、量程、分辨率和响应时间)得以大幅提高,特别是使其可以在很大的量程内具有良好的线性。

2002年,出现具有更高测量精度的薄膜热流传感器,以满足航空航天和军事科学的更高精度测量需要,使对微小热量变化的测量成为了可能。它是新的专利(EU patent:PCT/FR02/04033)技术:是由位于中间的低导热材料金属薄片和被涂覆在其两面的高导热材料沉积层构成的器件。涂覆材料的一面被能量照射,而另一面的背面覆盖有热屏障。照射的能量流量差引起一个电势能,它能容易地产生微小的电流。这个电流比例于能量流量。

由于采用新的专利技术,使的薄膜热流传感器非常的薄,典型厚度为0.4mm;各热流传感器的一致性(线长、电阻、电容、电感等)和性能(如量程、分辨率和响应时间)更高,特别是可确保其在很大的量程内具有良好的线性;其响应时间的典型值为25ms,因此它们能被用于不稳定热流或探测如突发的辐射热流等瞬态测量;超薄的厚度,也使其当被安装在表面时,它们与常规的传感器相比,是不敏感于空气缝隙的。

上述是用于测量热传导的热阻式热流传感器的发展进程。

在欧美等发达国家,线绕热阻式热流传感器已经被更高性能的半导体热电堆式热流传感器和薄膜式热流传感器所取代。塞式(Schmidt Boelter)和其它形式的辐射热流计也正在逐渐被由快速响应型薄膜热流传感器构成的辐射热流传感器所取代。但是用于高速瞬态快速测量(10~20ms)的圆箔式(Gardon)热流传感器一直沿用至今。这是因为最新的快速响应型薄膜热流传感器的响应时间还不能超过20ms。

热流计的显示仪表从最初的毫伏计、数字电压表也已经发展到使用高精度的数据记录仪和数据采集系统。

热流计在我国的发展

用于瞬态快速测量(10~20ms)的圆箔式辐射式热流传感器一直在我国的军工企业制造和使用。

80年代初,为了配合我国节能工作的需要,由国家投资、北京自动化技术研究所(现为北京自动化技术研究院)承担了仿制日本昭和电株式会社的HFM-101和HFM-115型热流计及配套线绕式热流传感器,国产后的型号为CHF并一直生产销售至今。

近几年,我国的一些科研院所也进行过薄膜热流传感器的研制并取得了成功,但遗憾的是至今没有形成工业化生产。

热流计在使用一段时间后(通常是一年左右),应该进行必要的重新校准,以确保其测量的准确性。

校准热流计应该对其热流传感器和显示仪表分别予以单独的校准。

热流传感器的校准方法有二:一是绝对法校准,依据国标GB/T 10294(国际标准化组织 ISO/DIS 8302);二是比较法校准,依据国标GB/T 10295(国际标准化组织 ISO/DIS 8301),但是必须要求计量机构提供其使用的标准热流传感器的检定证书。

显示仪表的校准方法:依据所使用显示仪表的不同,参照相应的国家标准即可。一般至少要进行直流电压输入通道的校准,如果热流传感器带有热电偶温度传感器还应进行热电偶输入通道的校准。

由于热流传感器是热流计最为关键的一次敏感器件,因此其测量精度将直接关系到热流计的测量精度。

热流传感器与被测物粘贴紧密程度

紧密粘贴或使用导热硅脂

热流传感器与被测物粘贴的紧密程度,对热流的稳定时间有着非常大的影响。粘贴越紧密,稳定越快,测量偏差越小;反之,测量偏差越大。因此,在瞬态热流传感器的使用过程中,要尽量保证热流热流传感器能够紧密地粘贴被测物体,这样才能减少测量时间,提高测量精度。导热胶(导热硅脂)的应用,为解决这个问题提供了非常好的条件。

热流传感器厚度

越薄越好。

当热流传感器厚度为0.1mm时,被测物表面热流稳定非常快,从开始到稳定只用了约0.5s的时间,通过热流传感器的热流值与实际值相差2.92%。当热流传感器厚度增加到1mm时,稳定时间达到了8s,为原来的16倍,热流值的偏差达到了6.26%。这主要是由于热流传感器厚度的增加,加大了热流传感器引入的热阻,使通过热流传感器的热流值产生了较大偏移。

热流传感器边长

越长越好,最优值20mm~30mm

热流传感器边长的改变并没有给热流的稳定时间造成太大影响,却给稳定值带来较大的偏差。边长从5mm变成10mm时,稳定热流值减小了8.4%,与实际值相差6.51%;边长从10mm变为20mm时,热流减小了4.3%,与实际值相差1.94%;边长从20mm变为30mm时,热流仅仅减小了0.4%,已经和真实值基本重合。这说明,热流传感器边长越长,稳定值越准确,且边长一定存在着一个最优值。这个最优值既能保证热流传感器尽可能小,又能保证所测热流的准确性。从本文的计算来看,这个最优值约为20mm。当被测物表面近似认为半无限大时,20mm可能是测量精度和热流传感器尺寸的最佳结合点。

(主要内容摘自《热流计测量精度影响因素的数值分析》,节能,2005年第2期)

由于热流传感器是热流计的一次敏感元件,因此其性能优劣决定了热流计的性能。所以在选择热流计时,必须注重热流传感器的性能指标。

热流计的主要技术指标包括:

1、热流量程

决定了可以测得的最大热流值。由所配热流传感器的热流量程和热流计主机的电压量程决定。

越大越好,以满足更多的测量需求。

2、热流分辨率热流灵敏度

决定了可以测得的最小热流值。由所配热流传感器的灵敏度和热流计主机的电压灵敏度决定。

分辨率越小越好(灵敏度越高越好)。

特别是对于节能、建筑节能保温和其它保温性能测试,选择高灵敏度的热流计可以最大程度的适应将来严格的节能检测和节能监测标准要求,以及保温性能在日益提升的保温材料的测试要求。

3、精度

由所配热流传感器的精度和热流计主机的电压测量精度决定。

4、温度量程

如果传感器带有内置的热电偶。

5、采样速率

由所配热流传感器的响应时间和热流计主机的采样速率决定。对于辐射热流计是必须考虑的。

6、其它:如存储容量,显示更新速率,通讯接口和软件等。

在此需要特别指出的是,日本KYOTO公司的HFM-201和HFM-215型热流计在其产品资料将显示量程写为了测量量程,这将严重的误导购买者。如热流量程写为:0~±9999 w/m2或kcal/m2h,但其所能配置的全部热流传感器均不能达到这个范围;温度量程写为:铬-铝热电偶-99.9~999.9℃/铜-镍热电偶-199.9~400.0℃,但其所配置的所有传感器的使用温度均小于这个范围,如常用的TR2型热流传感器的热流量程仅为10~3000kcal/m2h(约11.6~3500 W/m2)/工作温度-40~150℃,T500型热流传感器的热流量程仅为300~15000 kcal/m2h(约0.35~17.38 kW/m2)/工作温度70~500℃。

因此,购买者在选择热流计时,必须关注和仔细阅读其热流传感器的相关技术指标,以确保购买到适合的热流计。

说明:

1、日本KYOTO-KEM的热流计量程、分辨率依据制造商资料中给出的kcal/m2h单位换算得到(1 kcal/m2h=1.1587 w/m2)。

2、CHF各传感器的热流量程和分辨率制造商没有给出，由于其是仿制于日本KYOTO-KEM公司的早期型号HFM-101和HFM-115，所以依据日本KYOTO-KEM的热流计量程、分辨率给出。