热流计的应用
各种工业炉、供热管道、建筑物、冷库等的保温性能测试。通常称为节能监测(节能检测或节能测试)。对于这种测试,我国有相应的国家标准,如GB/T 4272-2008《设备和管道绝热技术通则》和GB/T 8174-2008《设备和管道绝热效果的测试与评价》。GB/T 10295-2008绝热材料稳态热阻及相关特性的测定热流计GB/T 17357-2008设备和管道保温层表面热损失现场测量热流计法和表面温度法。。包括辐射加热源、太阳辐射强度和太阳能设备、火灾发生和防护、火药、炸药和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。
在这种测试中,有些项目可能需要考虑同时热对流测试。
这些检测有的也有相应的国家标准,如GB/T 11785-2005。由于热流传感器是热流计的敏感元件,热流传感器的发展进程决定了热流计的发展进程。
1914年,出现了第一个用于野外直接测量热流的热流传感器。当时,来自德国的Henky教授想在啤酒厂测量通过地板的热流。他用厚度为10 cm的软木板覆盖地面,测量软木板上下两面的温差,计算热流密度。
在1924中,Schmidt设计了一种由缠绕在橡胶带上的热电堆组成的条形热流传感器,用于测量带保温层管道的热流密度。一般认为这是第一个实用的热流传感器。目前广泛使用的热电阻热流传感器一直沿用热电堆传感器的基本类型。施密特热流传感器上的热电堆是焊接制作的,工艺复杂。在1939中,为了克服制作多点热电堆的困难,Gier和Boelter通过在康铜丝上镀银,制作了用于热流传感器的热电堆(或线绕热电阻)。今后,这种方法将逐步推广到制作各种热流传感器。这种线绕热电阻热流传感器精度不高的问题在于,只有一个长条的两端接触,无法标准化,每个圆也无法做到平圆,而一个探头有上百匝,使得每个探头千差万别。另外,线圈必须是裸线进行电镀,所以在制造过程中容易碰到线,从而改变性能,需要线圈之间多点串联焊接,焊点情况也不一样,焊点多。由于结构形式和加工方法的原因,每个传感器的性能是非常离散的。为了保证每个传感器的线性度,要求精度高,测量范围窄,使用温度范围宽。
因为是手工制作,所以一致性(线长、电阻、电容、电感等。)不是很高,分辨率低,特别是在保证线性的基础上,只能有一个很窄的范围。
1969左右,随着高精度热流测量的需求,提出了半导体材料热流传感器的敏感元件——热电堆。热电堆是利用集成电路技术,以硅膜为介质,扩散和粒子注入,硅外延,阳极氧化,多孔硅腐蚀,绝缘介质的物理或化学气相沉积等技术在硅膜上制备的。这种传感器具有线长一致、电阻、电容和电感一致的特点,因此具有较高的灵敏度、测量范围和工作温度范围。为一般领域提供了一种经济、实用、高精度的热流检测仪器。
由于采用了半导体制造技术,一致性(线长、电阻、电容、电感等。)和各热流传感器的性能(如工作温度、测量范围、分辨率和响应时间)都得到了很大的提高,特别是它可以在很大的测量范围内具有良好的线性度。
2002年,测量精度更高的薄膜热流传感器出现,满足了航空航天和军事科学中更高精度测量的需求,使测量微小的热变化成为可能。它是一种新的专利(欧盟专利:PCT/FR02/04033)技术:它是一种由两面涂有低热导率和高热导率的金属片组成的装置。涂层材料的一面被能量照射,而另一面的背面覆盖有热障。照射的能流差造成一个电势能,很容易产生微小电流。这个电流与能量流成正比。
由于采用了新的专利技术,薄膜热流传感器非常薄,典型厚度为0.4mm;一致性(线路长度、电阻、电容、电感等。)和各热流传感器的性能(如量程、分辨率、响应时间)更高,特别是保证其在大范围内良好的线性度;典型的响应时间为25ms,因此它们可用于瞬态测量,如不稳定热流或探测突然的辐射热流。与传统传感器相比,超薄的厚度也使它们在安装于表面时对空气间隙不敏感。
以上是测量热传导的热电阻热流传感器的研制过程。
在欧美等发达国家,线绕热电阻热流传感器已经被性能更高的半导体热电堆热流传感器和薄膜热流传感器所取代。Schmidt Boelter等形式的辐射热流计正逐渐被由快速响应薄膜热流传感器组成的辐射热流传感器所取代。而用于高速瞬态快速测量(10 ~ 20 ms)的伽登热流传感器一直沿用至今。这是因为最新的快速响应薄膜热流传感器的响应时间不能超过20 ms。
热流计的显示仪表从毫伏表和数字电压表发展到高精度的数据记录仪和数据采集系统。用于快速瞬态测量(10 ~ 20 ms)的圆形箔片辐射热流传感器已在我国军工企业制造使用。
20世纪80年代初,为适应我国节能工作的需要,国家投资和北京自动化技术研究所(现北京自动化技术研究所)承担了仿制日本昭和电气公司的HFM-101和HFM-115热流计及配套线绕式热流传感器。国内的型号是CHF,一直生产销售至今。
近年来,国内也有一些研究所研发了薄膜热流传感器,并取得了成功,但遗憾的是至今没有产业化。