CN101769795A - 圆箔片式大量程高温热流传感器 - Google Patents

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任勇峰
梁庭
苏淑靖
张文栋
刘俊
郭涛
文丰
叶挺
马喜宏
张倩倩
安虎
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Abstract

本发明涉及热流测量领域，具体是一种圆箔片式大量程高温热流传感器。解决了现有圆箔片式热流传感器的热沉体实现恒温不易等问题，含配有底盖的外壳、热沉体，热沉体由主体、主体顶部中央设置的柱状凸台构成，外壳壳顶开有嵌放热沉体顶部柱状凸台的通孔，柱状凸台上嵌放有圆箔片，圆箔片的中央及边缘分别焊接有与圆箔片构成热电偶的引线，柱状凸台外套设有置于热沉体主体和外壳间的绝热环；外壳由筒状壳体和陶瓷顶盖构成；热沉体主体底部与外壳底盖间叠放设置有两个盘状陶瓷支撑，两个盘状陶瓷支撑间、置顶盘状陶瓷支撑与热沉体底部间、热沉体主体侧壁与外壳内壁间分别设有空气绝热层。结构合理、优化，能在高温环境中长时间工作，实现大量程测量。

Description

圆箔片式大量程高温热流传感器
技术领域
本发明涉及热流测量领域，具体是一种圆箔片式大量程高温热流传感器。
背景技术
现有圆箔片式热流传感器，又称Gardon型热流传感器，其敏感头由嵌放于热沉体上的康铜圆箔片、分别与康铜圆箔片中央及边缘焊接的两根金属引线组成，其中，康铜圆箔片与金属引线构成热电偶。
当辐射热流均匀地入射到康铜圆箔片表面时，热流通过圆箔片沿着其径向传热到热沉体上，圆箔片的中心与边缘之间形成温差，从而产生热电势输出。当热沉体温度恒定时，入射热流与输出热电势成正比。测量出热电势信号，就可测得入射热流值。所以，圆箔片式热流传感器的输出即对应着被测热流的大小，被测热流的大小可由式q＝C·E计算得到，式中：C-为校正常数(与热流传感器参数有关)，E-输出热电势(mV)，q-入射热流。
而入射热流与输出热电势成正比的条件是热沉体温度恒定。但在实际应用中，热沉体的温度不可能保持恒定不变，一般随工作时间和入射热流值大小的变化而变化。热流值越大，热沉体温升越快；工作时间越长，热沉体温升越快。水冷法能很好地对热沉体进行恒温控制，但在某些特定的高温环境中，为传感器提供恒温冷却水很难实现；且现有的圆箔式热流传感器缺乏良好的隔热绝热结构，导致控制热沉体恒温不易，也就限制了传感器的测量精度，使其无法满足大量程的测量及在高温环境中长时间工作的要求。
发明内容
本发明为了解决现有圆箔片式热流传感器的热沉体实现恒温不易、无法满足在高温环境中长时间工作的要求、无法实现大量程测量等问题，提供了一种圆箔片式大量程高温热流传感器。
本发明是采用如下技术方案实现的：圆箔片式大量程高温热流传感器，包括配有底盖的外壳、置于外壳内的热沉体，热沉体由主体、主体顶部中央设置的柱状凸台构成，外壳壳顶开有嵌放热沉体顶部柱状凸台的通孔，热沉体顶部柱状凸台上嵌放有圆箔片，圆箔片的中央及边缘分别焊接有引线，圆箔片与两引线构成热电偶，且热沉体主体及其顶部柱状凸台贯穿开设有用于将引线引出的通道，热沉体顶部柱状凸台外套设有绝热环，且绝热环置于热沉体主体和外壳之间；所述外壳由筒状壳体和顶盖构成，顶盖中央开有嵌放热沉体顶部柱状凸台的通孔，且顶盖为陶瓷顶盖；热沉体主体底部与外壳底盖间叠放设置有两个盘状陶瓷支撑，两个盘状陶瓷支撑间、置顶盘状陶瓷支撑与热沉体底部间分别设有空气绝热层(即两个盘状陶瓷支撑间、置顶盘状陶瓷支撑与热沉体底部间留有缝隙)，且热沉体主体侧壁与外壳内壁间亦设有空气绝热层。
所述由圆箔片与两引线构成的热电偶选用针对高温测量的E型热电偶(即康铜-镍铬热电偶)、S型热电偶(即铂铑10-铂热电偶)、K型热电偶(即镍铬-镍硅热电偶)、B型热电偶(即铂铑30-铂铑6热电偶)、J型热电偶(即铁-铜镍/康铜热电偶)，其中，E型热电偶最大温差能测1000℃，S型热电偶最大温差能测1700℃，K型热电偶最大温差能测1300℃，B型热电偶最大温差能测1800℃，J型热电偶最大温差能测1200℃。
所述热沉体为铜质热沉体；绝热环为由陶瓷纤维增强纳米隔热材料制成的绝热环，或其它导热系数非常小的绝热绝缘材料制成；外壳的筒状壳体为含1.5％C的钢质壳体；外壳的底盖为铝合金底盖；盘状陶瓷支撑和外壳陶瓷顶盖所用陶瓷为微晶云母可加工陶瓷。
与现有技术相比，本发明优化改进了传感器整体的隔热结构：1、传感器敏感头前端采用微晶云母可加工陶瓷顶盖代替传统的不锈钢外壳，由于陶瓷顶盖导热系数比不锈钢的小很多，当正面热流入射时，能显著地减小了热量向热沉体的传递，减缓了热沉体温度上升的速率，从而延长了传感器的工作时间；其中，微晶云母可加工陶瓷用普通的机加工方法就能达到理想的高精度要求，且强度可以作为支撑的结构，还具有耐高温、绝缘等许多优良的性能；2、在陶瓷顶盖与热沉体主体之间增设绝热环(其导热系数比空气都小)，避免陶瓷顶盖与热沉体主体直接接触，进一步减小向热沉体的漏热，延长传感器的工作时间；3、在热沉体主体底部与外壳底盖间叠放设置有两个盘状陶瓷支撑，使两个盘状陶瓷支撑间、置顶盘状陶瓷支撑与热沉体底部间、以及热沉体主体侧壁与外壳内壁间皆设置空气绝热层，并由于热沉体主体与其下方盘状陶瓷支撑的接触面积、两个盘状陶瓷支撑间的接触面积都比较小，因此能有效地减少外壳、盘状陶瓷支撑向热沉体的漏热，同样减缓热沉体温升，延长传感器在高温环境下的工作时间。这样能在检测过程中保持热沉体恒温，使热沉体在相同的温升速率下，有效地延长传感器整体的工作时间，并能引入针对高温测量的热电偶，大大提高热沉体工作温度的限制基准(现有热流传感器在热沉体温度为250℃失效)，扩展传感器的测试范围，高温性能也得到明显提高，而且由于高的热电功率的输出，也增加了灵敏度。
本发明结构合理、优化，能在高温环境中长时间工作，实现大量程测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A处的放大示意图；
图中：1-底盖；2-主体；3-柱状凸台；4-圆箔片；5、6-引线；7-通道；8-绝热环；9-筒状壳体；10-顶盖；11、12-盘状陶瓷支撑；13、14-空气绝热层；15-空气绝热层。
具体实施方式
如图1、2所示，圆箔片式大量程高温热流传感器，包括配有底盖1的外壳、置于外壳内的热沉体，热沉体由主体2、主体2顶部中央设置的柱状凸台3构成，外壳壳顶开有嵌放热沉体顶部柱状凸台3的通孔，热沉体顶部柱状凸台3上嵌放有圆箔片4，圆箔片4的中央及边缘分别焊接有引线5、6，圆箔片4与两引线5、6构成热电偶，且热沉体主体2及其顶部柱状凸台3贯穿开设有用于将引线5、6引出的通道7，热沉体顶部柱状凸台3外套设有绝热环8，且绝热环8置于热沉体主体2和外壳之间；所述外壳由筒状壳体9和顶盖10构成，顶盖10中央开有嵌放热沉体顶部柱状凸台3的通孔，且顶盖10为陶瓷顶盖；热沉体主体2底部与外壳底盖1间叠放设置有两个盘状陶瓷支撑11、12，两个盘状陶瓷支撑11、12间、置顶盘状陶瓷支撑11与热沉体主体2底部间分别设有空气绝热层13、14(即两个盘状陶瓷支撑间、置顶盘状陶瓷支撑与热沉体底部间留有缝隙)，且热沉体主体2侧壁与外壳内壁间亦设有空气绝热层15。
所述由圆箔片与两引线构成的热电偶选用针对高温测量的E型热电偶(即康铜-镍铬热电偶)、S型热电偶(即铂铑10-铂热电偶)、K型热电偶(即镍铬-镍硅热电偶)、B型热电偶(即铂铑30-铂铑6热电偶)、J型热电偶(即铁-铜镍/康铜热电偶)，其中，E型热电偶最大温差能测1000℃，S型热电偶最大温差能测1700℃，K型热电偶最大温差能测1300℃，B型热电偶最大温差能测1800℃，J型热电偶最大温差能测1200℃。
所述热沉体为铜质热沉体；绝热环8为由陶瓷纤维增强纳米隔热材料制成的绝热环，或其它导热系数非常小的绝热绝缘材料制成；外壳的筒状壳体9为含1.5％C的钢质壳体；外壳的底盖1为铝合金底盖；盘状陶瓷支撑11、12和外壳陶瓷顶盖10所用陶瓷为微晶云母可加工陶瓷。

Claims (3)

1.一种圆箔片式大量程高温热流传感器，包括配有底盖(1)的外壳、置于外壳内的热沉体，热沉体由主体(2)、主体(2)顶部中央设置的柱状凸台(3)构成，外壳壳顶开有嵌放热沉体顶部柱状凸台(3)的通孔，热沉体顶部柱状凸台(3)上嵌放有圆箔片(4)，圆箔片(4)的中央及边缘分别焊接有引线(5、6)，圆箔片(4)与两引线(5、6)构成热电偶，且热沉体主体(2)及其顶部柱状凸台(3)贯穿开设有用于将引线(5、6)引出的通道(7)，其特征在于：热沉体顶部柱状凸台(3)外套设有绝热环(8)，且绝热环(8)置于热沉体主体(2)和外壳之间；所述外壳由筒状壳体(9)和顶盖(10)构成，顶盖(10)中央开有嵌放热沉体顶部柱状凸台(3)的通孔，且顶盖(10)为陶瓷顶盖；热沉体主体(2)底部与外壳底盖(1)间叠放设置有两个盘状陶瓷支撑(11、12)，两个盘状陶瓷支撑(11、12)间、置顶盘状陶瓷支撑(11)与热沉体主体(2)底部间分别设有空气绝热层(13、14)，且热沉体主体(2)侧壁与外壳内壁间亦设有空气绝热层(15)。
2.根据权利要求1所述的圆箔片式大量程高温热流传感器，其特征在于：所述热电偶选用针对高温测量的E型热电偶、S型热电偶、K型热电偶、B型热电偶、或者J型热电偶。
3.根据权利要求1或2所述的圆箔片式大量程高温热流传感器，其特征在于：所述热沉体为铜质热沉体；绝热环(8)为由陶瓷纤维增强纳米隔热材料制成的绝热环；外壳的筒状壳体(9)为含1.5％C的钢质壳体；外壳的底盖(1)为铝合金底盖；盘状陶瓷支撑(11、12)和外壳陶瓷顶盖(10)所用陶瓷为微晶云母可加工陶瓷。
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