简介：

应用：

工作原理：(概述 灵敏度方程式推导 响应时间方程式推导 Schmidt-Boelter热流传感器简介)

实际使用中的注意事项：(热传递方式： 最大热流强度和响应时间 最大热流强度和灵敏度系数 工作环境 安装方式 水冷传感器)

修理和校准

发展与展望

简介：

圆箔式热流传感器，英文名称：Circular Foil Heat Flux Sensors

别称：圆箔计（Circular Foil gages），戈登计（Gardon gages）

圆箔式热流传感器它具有如下特性：

结构简单、相当坚固，且易于制造和价格低廉。

测量热流范围较宽,最大可达50MW/㎡。

测量辐射热流，在有限条件下可以测量总热流（辐射+对流）

与光谱性质无关,即可以测量波长范围从0～∞。

时间相应最快可达10毫秒。

产生的信号不用放大,能直接用数字电压表或电子电位差计记录。

具有较好的稳定性和重复性。

正是由于圆箔式热流计具有上述特点,曾得到应用广泛，并沿用至今。

圆箔式热流传感器由Robert Gardon发明，美国Medtherm公司和Vatell公司都可以提供成型的产品并可以提供传感器的定制。在我国的航天和航空部门也有制造，并在科研生产中大量使用。

应用：

圆箔式热流传感器的主要应用包括：

各种燃烧室内辐射热通量的测量

太阳能辐射强度

火灾实验

可燃性实验的热流标准

材料研发

熔炉研发

其它热传递研究

工作原理：

概述

右图为圆箔式热流传感器原理结构图。康铜箔是焊到空心圆柱体的铜热沉上。一条铜引线焊到康铜箔中心，这样就得到一个由铜引线—康铜箔—铜热沉体组成的差分热电偶对—热电堆。焊在康铜箔中心的铜引线与焊在铜热沉体上的铜引线构成热电堆的输出。

当热辐射投射到圆的康铜箔的涂黑（高吸收率）表面上，这个辐射热使康铜箔的温度升高。且沿着康铜箔的径向传到铜热沉体上，并通过热沉沐耗散到周围环境中去。当处于某一瞬时热平衡，由于热量沿康铜箔径向流动（忽略中心线下的热损失），康铜箔中心的温度To高于它周径上的温度Ts。这个温度差很容易被由铜引线—康铜箔、康铜箔—铜热沉体构成的差分热电偶检测并输出与之对应的电压信号。这个电压信号可以很容易地与投射在康铜箔上的辐射通量q建立起函数关系且经过标定，就可进行热流测量。

灵敏度方程式推导

圆箔式热流传感器灵敏度方程式的推导是基于傅里叶定律，并作如下假设：

假设1 设铜热沉体的温度To=0,有一辐射热流q投射上去。由于康铜箔的厚度S很薄,此时沿康铜箔厚度方向上的热梯度（即ΔT/ΔS=0）是0可以忽略的，康铜箔表面的热损失也是可以忽略的。因为热源的温度很高，而圆箔上的温度相比较不太高，况且辐射热流是温度的4次乘方的关系，这种差别显得更大。大到热流基本上与圆箔的温度没有关系，即可以认为Δq/ΔT≈0。

假设2 康铜箔的在温度T时的导热系数K与其基准温度To时的导热系数Ko可以用下式来近似表示：K=Ko(1+α×T)，式中α是单位温升时的导热系数的变化率；

　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变的导热系数（此时α=0）以外,热流q和△T之间的关系不是线性关系。

假设3 但是实际上仪器输出的电动势是对应于温差△T,而且康铜一铜热电偶的温度和电动势的关系也不是线性的。若这二种非线性的影响能适当叠合使之正好互相抵消,则由康铜和铜制成的圆箔热流计可以产生线性的热流和电动势的关系。

　根据康铜在基准温度T=0℃下的导热系数Ko=0.051卡/厘米×秒×℃及α=0.00204/℃。因此，对康铜来说,式（1）可写成：

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

另一方面由标准的铜—康铜热电偶分别保持在0℃和△T℃下所产生的电动势E可得到下列关系：

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

假设4 在△T不很大的情况下,略去最后一项不计是不会产生很大误差的,则可简化为：

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

利用式(2)和(3)的括号里一项的巧合,并将二式联立可得：

E/q=0.187×R↗2/S

式中：E/q是康铜圆箔热流计的灵敏度，单位是毫伏/卡×厘米×秒

R是康铜圆箔的半径，单位为厘米

S是箔片的厚度，单位为厘米

响应时间方程式推导

圆箔式热流传感器的响应时间方程式的推导也是非常的复杂，但同样经过一些假设后可以得到近似的方程式如下：

t=3.7×R↗2

式中：t是圆箔式热流传感器的时间常数(秒)，R是圆箔的半径(厘米)

基于以上的推导过程和假设，必须提及的是：

1、 在将圆箔式热流传感器与任何类型的对流热传递一起使用时，其将出现最大问题。经过分析和实验表明，由于辐射的假定径向对称、抛物线侧面图中箔片温度分布曲线弯曲，对流热传递输出不正确。因为其错误数量是传感器几何学、流体流量和热传递系数的一个函数，所以很难判断其是否正确。当传感器在有剪切流成分（包括大多数对流情况）的流量中使用时，误差特别大。因此，如果使用圆箔式热流传感器测量对流热传递，应特别小心地将通过传感器径向的温差To–Ts保持在小范围内。

2、当在高热通量情况下（如燃烧室）使用该传感器时，通常将其本体彻底水冷，以阻止温度超过材料温度极限。由于产生的温度与传感器及存放其的周围材料温度不匹配，在测量对流热传递时，不建议使用。对于水冷传感器，确保其表面上不会发生冷凝也非常重要。

3、为了测量纯辐射，在实际使用中，通常是在康铜箔片前加装透明窗—单晶硅片，以消除传感器表面—康铜箔片的对流。由于该传感器只能测量纯辐射，所以其被称为辐射计。但是，在这些辐射计中视野有限，且加装的窗口会降低康铜箔的有效吸热，故需要对测量结果予以修正。在粉尘较大的、能见度较低的污染环境中，也开发出可以对窗口表面吹气以吹走传感器上的粉尘微粒的传感器，称为气体清洗（或气体吹扫型）型传感器。

4、由于圆箔式热流传感器不适合测量带有对流分量的热通量测量，以及其灵敏度系数较低不适合测量小热流，所以常常是使用Schmidt-Boelter热流传感器予以配合测量（美国Medtherm公司和Vatell公司也均可提供）。

Schmidt-Boelter热流传感器简介

Schmidt-Boelter热流传感器也是基于空间温度梯度的原理、利用热电堆测量温差的方法来测量通过其的热通量。

Schmidt-Boelter传感器由成螺旋状缠绕在一个电绝缘薄片上的康铜（铜镍合金）丝制成，且薄片半边的康铜丝表面具有电镀铜。这个工艺在薄片两面的电镀终端创建了一排热电偶结点，这些热电偶可以测量通过由薄片构成的热阻抗层的温度差。传统的Schmidt-Boelter传感器，薄片一边的热电偶产生第一个信号当热能量到达它们时，而且薄片另一边的热电偶产生第二个信号当热能量到达它们时，这两个信号混合产生二阶响应。传统的结构获得快速响应时间的唯一方法是使用非常薄的薄片，虽然可以降低第二个信号的影响但不能消除它。

Vatell的专利（US 6,186,661）设计是隔离薄片背面的热电偶，且指引它们四周的热量直接地进入外壳。这给予一个固有的快速响应时间，且没有第二个信号。而且，薄片没有非常的薄。实际上，它是做的较厚以降低位于外壳接点处的热阻抗。Vatell使用氮化铝（aluminium nitride）薄片代替阳极氧化铝（anodized aluminium），环绕在3.5mm基片上四十圈产生最大250uV/(Watt/c㎡)的灵敏度，且一阶响应时间小于10ms。

但是，Schmidt-Boelter热流传感器具有温度的依赖性，其灵敏度的增大大约是0.1%/℃。因此，对于大多数的应用，推荐使用水冷的Schmidt-Boelter热流传感器，以最大限度的稳定温度和消除这个变化。

Schmidt-Boelter热流传感器主要技术规格

美国Vatell公司　美国Medtherm公司

最大瞬态热通量　40 W/c㎡(400kW/㎡　最大热通量量程　5～100 Btu/(ft↗2·s)
56.8～1136 kW/㎡

最大连续热通量　10 W/c㎡(100kW/㎡　最小热通量量程　0.2～4 Btu/(ft↗2·s)
2.27～45.4 kW/㎡

时间响应　10ms　响应时间　参考表2

最小灵敏度　150 uV/(W/c㎡)
0.015 uV/(W/㎡)　标称输出电压　10mV

实际使用中的注意事项：

众所周知，热传递的三种方式：传导、辐射和对流，不会仅以一种方式存在，通常是其中的两者或三者同时存在。因此在实际使用中，选择适合的传感器型号是非常重要的，且必须考虑以下几个方面：

热传递方式：

1、对于纯辐射测量，如果无波长响应要求，可以选用不带窗口的传感器。如果有波长响应要求，可以选用带有窗口的传感器，但测量结果需予以修正。有关不同材料的窗口的波长响应范围和修正见下表：

表1、常用窗口材料的适用波长和透过率

透镜材料　%传递（Transmission）　光谱范围（μm）

Quartz（石英）　90　0.3～3

Salt（）　90　0.3～12

Sapphire（蓝宝石）　85　0.3～5

Calcium Fluoride（荧石）　92　0.2～8

Zinc Selenide（硒化锌）　70　0.6～17　2、对于辐射+对流的测量，不建议选用该类型传感器。

最大热流强度和响应时间

因为圆箔式热流传感器的响应时间是与其最大量程相关联的，所以在选型时必须加以考虑。

表2、热流量程与响应时间对照表

美国Vatell公司　美国Medtherm公司

热流量程　响应时间　热流量程　响应时间

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　　

最大热流强度和灵敏度系数

因为圆箔式热流传感器的灵敏度系数是与其最大量程相关联的，所以在选型时必须加以考虑。

所有圆箔式热流传感器的标称输出均为10mv，所以当确定了最大热流量程时，就可以计算其标称灵敏度系数。例如当最大热流量程为10MW/㎡，其对应的标称灵敏度系数=1mv/(MW/㎡)=1μv/(kW/㎡)。

工作环境

一般当工作环境温度大于150℃时，就应该选择水冷圆箔式热流传感器。

在粉尘较大的、能见度较低的污染环境中，建议选用气体清洗（或气体吹扫型）型传感器。

安装方式

根据现场要求选择适宜的传感器结构安装方式，如：螺纹安装、法兰安装等。

水冷传感器

对于冷却水无特殊要求，只要冷却水是清洁的。当然，使用软化水是更加的好，可以避免因水的结垢而堵塞水冷管路。

对于水冷传感器，确保其表面上不会发生冷凝也非常重要。在低温下使用，小心不能让水管路内结冰，否则将膨胀和损坏传感器。另外，也不建议将几个水冷传感器串联在一起使用，以避免冷却水的压力降低。

修理和校准

全部圆箔式热流传感器能被修理和再校准。

完整的修理和再校准，其价格约为一个新传感器的一半。修理和在校准是构成一个新传感器的基础，电缆也将重新铺设，然后校准整个元件。传感器的修理仅适用于当传感器的主体没有损坏时。

推荐每年一次的重新校准，以避免因灵敏度系数的不正确而带来的测量误差。

航天部102所可以提供圆箔式热流传感器的校准服务。

发展与展望

尽管圆箔式热流传感器已经存在约60年，科学技术的发展使许多新型热流传感器出现，如：

1、美国International Thermal Instrument公司应用的半导体热电偶材料制成的热电堆型热流传感器，热流量程可以达到3MW/㎡，工作温度可以达到约900℃，且有较好的灵敏度系数；增加水冷可以测量高达1900℃、30MW/㎡的热流强度，用于空间测量总热流（辐射+对流）；

2、 法国Captec公司开发的直接感知热流强度的传感器（它虽然仍是基于空间温度梯度的原理，但不是利用差分热电偶—热电堆—测量温差），热流量程可达500kW/㎡，工作温度可以达到约300℃，且有更高的灵敏度系数；增加水冷可以测量高达1400℃、1.2MW/㎡的热流强度，用于空间测量总热流（辐射+对流）、总辐射、红外辐射和阳光辐射强度，辐射测量响应时间可以达到20ms。

但是，上述这些新型热流传感器在某些方面仍然不能取代圆箔式热流传感器，如在大热流强度和高达10ms的快速响应时间上。况且，新材料技术和新制造工艺的发展和使用，或许使圆箔式热流传感器能够有更大的改进。使其不仅保留超大量程和快速响应时间，且克服其缺点如不能测量对流分量和低的灵敏度系数，使其具有更加广阔的应用领域。