CN103983365A - 多测头瞬态辐射热流计及热辐射热流密度的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应非接触测量热流密度的热流计，包括多敏感面测头、热沉体、热沉体测温热电偶、数据采集装置、数据处理与显示装置，根据由于不同吸收率的两个相同材料，在受到相同强度辐射热流，它们的温度不一样，建立起辐射热流密度与两个敏感面之间温度差关系，同时还避免了***误差，开发一种既可满足空间技术真空环境下使用，也可以在地面对流环境中使用，结构更简单，可持续工作，并可以串联形成热电堆，以增大温差热电势，减少测量中误差，的高精度瞬态辐射热流计。

Description

多测头瞬态辐射热流计及热辐射热流密度的测定方法

技术领域

本发明涉及一种用于测定蒸汽锅炉、均热炉、输热管道、太空热辐射等各种热辐射热流密度的多测头瞬态辐射热流计及利用该热流计进行热辐射热流密度的测定方法。

背景技术

辐射热流计在太阳能、空间技术、气象、工业、冶金、能源、动力、空调等很多领域中都有重要的应用，热流检测理论和技术越来越受到人们的重视。目前使用的全辐射热流计分为热传导型稳态热流计和集总热容式热流计，都是依据热平衡原理设计的。为了提高对变动辐射流的测试精确度，需要高精度瞬态辐射热流计的研究。

主要几种常见瞬态辐射热流计都是由单个敏感面构成。第一种，通过建立起敏感面温度变化与辐射热流量关系来求得辐射热流，但是敏感面温度的变化并不是由敏感面本身直接测量得到，还是要利用其它热电偶来进行，这样热电偶与铜片之间存在着一个导热的过程，为了补偿在辐射热流突变的时候热电偶测得的温度与铜片真实温度因延时产生的动态误差，数据处理通常还要进行了补偿，会影响测量的误差和响应时间。第二种，圆箔式瞬态热流计，通过单个康铜敏感面与铜热沉体接触传递热量，建立热流与敏感面温度梯度关系，但是接触面积较大，热沉体的温度上升会影响到测量结果，不利于长时间工作。第三种，绝热型瞬态热流计，设计了跟踪敏感面温度变化的结构，使敏感面与跟踪面保持相同温度，建立辐射热流量与跟踪加热量的关系，这种方法利于长时间测量，但是结构较为复杂，受干扰影响的因素也较多。

发明内容

针对上述问题，本发明依据热平衡原理设计，结合圆箔式热流计和绝热型瞬态热流计全部优点，巧妙设计了瞬态辐射热流计的模型，通过双测头差分热电偶直接测量到温度，建立起辐射热流密度与两个敏感面之间温度差的关系，同时还避免了***误差，开发一种可满足空间技术真空环境下使用，也可以在地面对流环境中使用的高精度瞬态辐射热流计。

本发明的技术方案为：

一种多敏感面测头的辐射热流计，包括第一热敏感面测头、第二热敏感面测头、热沉体、热沉体测温热电偶、数据采集仪、控制***，与数据处理与显示装置部分，

所述的第一热敏感面测头后设有第一绝热材料，所述的第二热敏感面测头后设有第二绝热材料，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头的热吸收率不同，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头之间相互绝热，彼此从热源所接收到的辐射热流密在相同条件下是相同的。

所述的热沉体与热沉体测温热电偶相连接，所述第一热敏感面测头、第二热敏感面测头分别与热沉体连接，第一热敏感面测头、第二热敏感面测头、热沉体热电偶分别与数据采集仪连接，并将第一热敏感面测头、第二热敏感面测头，热沉体热电偶接收到的热信号传送到数据采集仪中，数据采集仪产生的模拟信号经放大、A/D转换处理转换成数字信号送入控制***，通过控制***控制数据采集仪，将温度信号传入数据处理与显示装置部分。

优选的，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头为两片尺寸材料一致、并经过不同的表面粗糙工艺处理和上色处理的薄康铜片。

优选的，不同的表面粗糙工艺处理和上色处理的薄康铜片，其中之一是经过表面涂深色油漆粗糙表面处理，另一片是经过表面涂浅色油漆光洁表面处理。

优选的，所述的控制***为带有控制程序的计算机，

优选的，所述的辐射热流计的热敏感面测头外不加石英玻璃罩，

优选的，所述的热沉体与热敏感面测头通过铜导线连接。

本发明相对于现有技术所取得的有益技术效果为：

1、本发明多测头瞬态辐射热流计，两个热敏感面与热沉体构成多组铜-康铜热电偶，可瞬间测得各敏感面之间温度，获得辐射热流密度；

2、消除了***的部分误差，测量结果更接近真实值；

3、本发明的多测头瞬态辐射热流计，既可以在真空中测量，也可以在大气中或复杂条件下测量；并且传统单测头模型在大气环境下为减少对流热波动，需要在敏感测头外加石英玻璃罩，由于玻璃罩会对部分辐射能量进行吸收，这样就增大了实验的误差。双测头设计由于环境相同，在计算时可以通过相减消去环境对流换热对测量的影响，因此在大气环境下可以不加石英玻璃罩，这样消除石英玻璃本身对一定波段热辐射的吸收。

4、本发明多测头瞬态辐射热流计，沉体与热敏感面测头通过铜导线连接，使得热沉体与敏感面距离较远，温度不易快速上升，能长期的稳定工作。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例来对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明多测头瞬态辐射热流计的传感装置结构图；

图中：1为深色粗糙薄康铜片测头；2为浅色光洁薄康铜片2测头；3为铜热沉体；a、b、c均为连接铜导线。

本发明的多测头瞬态辐射热流计，包括两片尺寸材料一致、质量均为m，面积均为A的薄康铜片，深色粗糙薄康铜片1表面涂深色油漆粗糙表面处理，温度为T₁，浅色光洁薄康铜片2表面涂浅色油漆光洁表面处理，温度为T₂，两片薄康铜片分别作为热流计的热敏感面测头，薄康铜片背后设有绝热材料，两个薄康铜片之间没有热交换。它们彼此从热源处所接收到的辐射热流密在相同条件下是相同的。以a₁和a₂分别表示深色粗糙薄康铜片1和浅色光洁薄康铜片2的吸收率。

如图1所示，深色粗糙薄康铜片1、浅色光洁薄康铜片2和铜热沉体3组成3个热电偶，铜热沉体温度为T₀，由埋入热沉体的热电偶测得，深色粗糙薄康铜片1的温度T₁由ab两点电压得到，浅色光洁薄康铜片2的温度T₂由bc两点电压得到，深色粗糙薄康铜片1和浅色光洁薄康铜片2之间的温度差T₁-T₂由ac两点电压得到，这样热敏感面受到的热流发生变化时，将直接测量到两个热敏感面的温度变化。

将敏感面理想化为灰体，光谱吸收率与投入辐射无关，热敏感面受到来自热源的辐射热流密度为q的热辐射后，两个薄康铜片测头的能量平衡方程分别为：

$a_1\mathrm{qA}=\mathrm{mc}\frac{d{T}_1}{\mathrm{dt}}+q_{L1}---\left(1\right)$

$a_2\mathrm{qA}=\mathrm{mc}\frac{d{T}_2}{\mathrm{dt}}+q_{L2}---\left(2\right)$

上式中，a₁为深色粗糙薄康铜片1的吸收率，a₂为浅色光洁薄康铜片2的吸收率，q为辐射热流密度，A为薄康铜片面积，m为薄康铜片质量，c为薄康铜片比热容，q_L1为深色粗糙薄康铜片1的换热损失，q_L2为浅色光洁薄康铜片2的换热损失。

q_L1和q_L2包括三部分的换热损失。分别为热敏感面测头发出辐射损失，薄康铜片与周围温度为T_∞的空气对流换热损失，薄康铜片与温度为T_b的背面隔热层底面的传导换热损失，该三部分的热损失计算方法如下：

1)在辐射背景温度很低情况下，深色粗糙薄康铜片1和浅色光洁薄康铜片2发出辐射损失q_L11和q_L12分别为：

q_L11＝ε₁σAT₁ ⁴

q _L11 ＝ε₂σAT₂ ⁴

式中σ为斯蒂芬--波尔兹曼常数，σ＝5.670×10^-8W/(m²·K⁴)，ε₁、ε₂分别为深色粗糙薄康铜片1和浅色光洁薄康铜片2发射率。物体吸收能量与向外辐射热量发射电磁波两者是方向相反的两个过程，物体吸收热量是落在物体上的辐射能，影响和改变了电子的激发，使得一部分的辐射能转变为热能而被物体所吸收。物体发射热量是发射电磁波辐射式由于电子的激发，使热能转变为辐射能发射出去。当物体被看为灰体时候，根据基尔霍夫定律，物体辐射能力与吸收能力可以从两个表面之间的辐射换热的研究得到：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{E}{E_0}=a$

即任何可以看为灰体物体的发射率与吸收率在数值上是相等的，这说明了任何物体其吸收能力越强，其辐射能力也越强，即善于吸收者必善于辐射。对于一定波长下的黑度和吸收率也存在上述的关系。

2)深色粗糙薄康铜片1和浅色光洁薄康铜片2与周围温度为T_∞的空气的对流换热q_L21和q_L22分别为：

q_L21＝hA(T₁-T_∞)

q_L22＝hA(T₂-T_∞)

上式中，h为对流换热系数，预先进行标定，两个测头位置比较接近，上方空气是连通的，这里认为T_∞是一致。

对流换热系数h的大致量级为：

空气自然对流5～25；

气体强制对流20～100；

水的自然对流200～1000；

水的强制对流1000～15000；

油类的强制对流50～1500；

水蒸气的冷凝5000～15000；

有机蒸汽的冷凝500～2000；

水的沸腾2500～25000。

3)深色粗糙薄康铜片1和浅色光洁薄康铜片2通过背面隔热层对温度为T_b的底面的传导换热q_L31和q_L32分别为：

q_L31＝λA(T₁-T_b)

q_L32＝λA(T₂-T_b)

上式中，λ为隔热层导热系数，由于背部材料性质条件相同，这里显然Tb是一致。因此得到深色和浅色康铜片的总热损失为：

q_L1＝ε₁σAT₁ ⁴+hA(T₁-T_∞)+λA(T₁-T_b)  (3)

q_L2＝ε₂σAT₂ ⁴+hA(T₂-T_∞)+λA(T₂-T_b)  (4)

将(3)、(4)式分别代入(1)、(2)相减得到在大气中的瞬态辐射热流密度测量式为：

$(a_1-a_2)q=\frac{\mathrm{mc}}{A}\frac{d(T_1-T_2)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\σ}(a_1{T_1}^4-a_2{T_2}^4)+h(T_1-T_2)+\mathrm{\λ}(T_1-T_2)---\left(5\right)$

如果在真空条件中没有对流换热损失，λ为隔热层导热系数较小，当两个敏感面温差不是特别大情况，背部材料传热引起温差很小，空间的瞬态辐射热流密度式可进一步简化为：

$(a_1-a_2)q=\frac{\mathrm{mc}}{A}\frac{d(T_1-T_2)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\σ}({\mathrm{\ϵ}}_1{T_1}^4-{\mathrm{\ϵ}}_2{T_2}^4)---\left(6\right)$

双测头深色粗糙薄康铜片1和浅色光洁薄康铜片2接收的热信号传到数据采集仪中，模拟信号经放大，A/D转换等处理转换成数字信号送入计算机，通过计算机软件编程控制数据采集仪，将温度信号传入并进行相应的数据处理与显示装置部分。

Claims (7)

1.一种多敏感面测头的辐射热流计，其特征在于，包括第一热敏感面测头、第二热敏感面测头、热沉体、热沉体测温热电偶、数据采集仪、控制***，与数据处理与显示装置部分；

所述的第一热敏感面测头后设有第一绝热材料，所述的第二热敏感面测头后设有第二绝热材料，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头的热吸收率不同，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头之间相互绝热，从热源所接收到的辐射热流密在相同条件下是相同的；

所述的热沉体与热沉体测温热电偶相连接，所述第一热敏感面测头、第二热敏感面测头分别与热沉体连接，第一热敏感面测头、第二热敏感面测头、热沉体热电偶分别与数据采集仪连接，并将第一热敏感面测头、第二热敏感面测头，热沉体热电偶接收到的热信号传送到数据采集仪中，数据采集仪产生的模拟信号经放大、A/D转换处理转换成数字信号送入控制***，通过控制***控制数据采集仪，将温度信号传入数据处理与显示装置部分。

2.如权利要求1所述的一种多敏感面测头的辐射热流计，其特征在于，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头为两片尺寸材料一致、并经过不同的表面粗糙工艺处理和上色处理的薄康铜片。

3.如权利要求2所述的一种多敏感面测头的辐射热流计，其特征在于，所述的经过不同的表面粗糙工艺处理和上色处理的薄康铜片，其中之一是经过表面涂深色油漆粗糙表面处理，另一片是经过表面涂浅色油漆光洁表面处理。

4.如权利要求1所述的一种多敏感面测头的辐射热流计，其特征在于，所述的控制***为带有控制程序的计算机。

5.如权利要求1所述的一种多敏感面测头的辐射热流计，其特征在于，所述的辐射热流计的热敏感面测头外不加石英玻璃罩。

6.如权利要求1所述的一种多敏感面测头的辐射热流计，其特征在于，所述的热沉体与热敏感面测头通过铜导线连接。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的多敏感面测头的辐射热流计进行热辐射热流密度的测定方法，其特征在于，分别得到第一热敏感面测头的温度T₁，第二热敏感面测头的温度T₂，热沉体的温度T₀，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头之间的温度差T₁-T₂，热敏感面受到的热流发生变化时，将直接测量到两个热敏感面的温度变化；

将敏感面理想化为灰体，热敏感面受到来自热源的辐射热流密度为q的热辐射后，两个热敏感面测头的能量平衡方程分别为：

$a_1\mathrm{qA}=\mathrm{mc}\frac{d{T}_1}{\mathrm{dt}}+q_{L1}---\left(1\right)$

$a_2\mathrm{qA}=\mathrm{mc}\frac{d{T}_2}{\mathrm{dt}}+q_{L2}---\left(2\right)$

上式中，a₁为第一热敏感面测头的吸收率，a₂为第二热敏感面测头的吸收率，q为辐射热流密度，A为热敏感面测头面积，m为热敏感面测头质量，c为热敏感面测头比热容，q_L1为第一热敏感面测头的换热损失，q_L2为第二热敏感面测头的换热损失；

q_L1和q_L2包括三部分的换热损失；分别为热敏感面测头发出辐射损失，热敏感而测头与周围温度为T_∞的空气对流换热损失，热敏感面测头与温度为T_b的背面隔热层底面的传导换热损失，该三部分的热损失计算方法如下：

1)在辐射背景温度很低情况下，第一热敏感面测头和第二热敏感面测头发出辐射损失q_L11和q_L11分别为：

q_L11＝ε₁σAT₁ ⁴

q_L12＝ε₂σAT₂ ⁴

2)式中σ为斯蒂芬一波尔兹曼常数，σ＝5.670×10^-8W/(m²·K⁴)，物体视为灰体，ε₁、ε₂分别为第一热敏感面测头和第二热敏感面测头发射率；第一热敏感面测头和第二热敏感面测头与周围温度为T_∞的空气的对流换热q_L21和q_L22分别为：

q_L21＝hA(T₁-T_∞)

q_L22＝hA(T₂-L_∞)

上式中，h为对流换热系数，预先进行标定，两个测头位置比较接近，上方空气是连通的，T_∞是一致的；

3)第一热敏感面测头和第二热敏感面测头通过背面隔热层对温度为T_b的底面的传导换热q_L31和q_L32分别为：

q_L31＝λA(T₁-T_b)

q_L32＝λA(T₂-T_b)

上式中，λ为隔热层导热系数，由于背部材料性质条件相同，Tb是一致的；

得到第一热敏感面测头和第二热敏感面测头的总热损失分别为：

q_L1＝ε₁σAT₁ ⁴+hA(T₁-T_∞)+λA(T₁-T_b)                (3)

q_L2＝ε₂σAT₂ ⁴+hA(T₂-T_∞)+λA(T₂-T_b)                 (4)

将(3)、(4)式分别代入(1)、(2)相减得实现消去T_∞和T_b得到在大气中的瞬态辐射热流密度测量式为：

$(a_1-a_2)q=\frac{\mathrm{mc}}{A}\frac{d(T_1-T_2)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\σ}(a_1{T_1}^4-a_2{T_2}^4)+h(T_1-T_2)+\mathrm{\λ}(T_1-T_2)---\left(5\right)$

在真空条件时，没有对流换热损失，λ为隔热层导热系数较小，当两个敏感而温差不是特别大情况，背部材料传热引起温差很小，空间的瞬态辐射热流密度式可进一步简化为：

$(a_1-a_2)q=\frac{\mathrm{mc}}{A}\frac{d(T_1-T_2)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\σ}({\mathrm{\ϵ}}_1{T_1}^4-{\mathrm{\ϵ}}_2{T_2}^4)---\left(6\right)$

第一热敏感面测头和第二热敏感面测头接收的热信号传到数据采集仪中，模拟信号经放大，A/D转换成数字信号送入计算机，通过计算机软件编程控制数据采集仪，将温度信号传入并进行相应的数据处理与显示装置部分。