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近年來(lái),在熱分析節(jié)能監(jiān)察的領(lǐng)域中,熱流測(cè)量的必要性已被重視和確認(rèn)。僅測(cè)量溫度是無(wú)法獲知重要的熱信息。多通道熱流計(jì)HFM,測(cè)定精度及重復(fù)性比絕對(duì)校正法更為優(yōu)越,并且多通道熱流計(jì)HFM的操作非常簡(jiǎn)單。熱流計(jì)HFM系列在各方面受到很高的評(píng)價(jià),也被眾多的用戶所使用。

這是熱流計(jì)最常用的一種應(yīng)用,主要是對(duì)各種設(shè)備的保溫性能測(cè)試,包括各種工業(yè)爐窯、熱力輸送管道、建筑物、冷庫(kù)、紡織物和服裝、人員輸送工具(客車、客輪、客機(jī)等)、暖棚等,地?zé)岷屯寥罒崃鞯臏y(cè)試,制造熱流法熱導(dǎo)率測(cè)試設(shè)備等等。

對(duì)于各種工業(yè)爐窯、熱力輸送管道、建筑物、冷庫(kù)等的保溫性能測(cè)試,通常被稱為節(jié)能監(jiān)測(cè)(節(jié)能檢測(cè)或節(jié)能測(cè)試),對(duì)于此類測(cè)試我國(guó)已有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),如GB/T 4272-2008 設(shè)備及管道保溫技術(shù)通則,GB/T 8174-2008 設(shè)備及管道保溫效果的測(cè)試與評(píng)價(jià),GB/T 10295-2008 絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定-熱流計(jì),GB/T 17357-2008 設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定-熱流計(jì)法和表面溫度法。。

熱輻射測(cè)試

包括輻射加熱源,陽(yáng)光輻射強(qiáng)度和太陽(yáng)能設(shè)備,火災(zāi)的發(fā)生和防護(hù),火藥、炸藥、推進(jìn)劑的熱強(qiáng)度和熱分布,各種燃燒室的熱強(qiáng)度和熱分布,人工環(huán)境的熱舒適測(cè)試和控制,高溫風(fēng)洞試驗(yàn),等等。

在此類測(cè)試中有些項(xiàng)目可以需要考慮同時(shí)進(jìn)行熱對(duì)流的測(cè)試。

此類測(cè)試有些也有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),如:GB/T 11785-2005等。

熱對(duì)流的測(cè)試

強(qiáng)制對(duì)流換熱設(shè)備的測(cè)試等。

因?yàn)闊崃鱾鞲衅魇菬崃饔?jì)的一個(gè)敏感元件,因此熱流傳感器的發(fā)展進(jìn)程決定的熱流計(jì)的發(fā)展進(jìn)程。

1914年,出現(xiàn)了最早應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量熱流的熱流傳感器。當(dāng)時(shí)德國(guó)的Henky教授要測(cè)量通過(guò)啤酒廠內(nèi)地板的熱流,他用10 cm厚的軟木板覆蓋地板,測(cè)出軟木板上下兩面的溫度差,和軟木板的導(dǎo)熱系數(shù)從而計(jì)算出熱流密度。

1924年,Schmidt設(shè)計(jì)了由繞在橡膠帶上的熱電堆組成的帶狀熱流傳感器用來(lái)測(cè)量帶有保溫層的管道的熱流密度。一般認(rèn)為這是第一種實(shí)用的熱流傳感器。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的熱阻式熱流傳感器一直沿用了熱電堆傳感器這一基本型式。Schmidt熱流傳感器上的熱電堆是用焊接的方式制成的,工藝比較復(fù)雜。1939年,為克服制作多點(diǎn)熱電堆的困難, Gier和Boelter用在康銅絲上電鍍銀的方法制成了熱流傳感器用的熱電堆(或稱:線繞熱阻式)。以后這種方法就逐步推廣到制作各種熱流傳感器。這種線繞熱阻式熱流傳感器的精度提不高的問(wèn)題在于:一片板條上繞線圈只有板條的兩個(gè)端頭接觸,無(wú)法定型規(guī)范,每一圈扁、圓不可能一致,而一個(gè)測(cè)頭有幾百圈,使得各個(gè)測(cè)頭千差萬(wàn)別,另外線圈為了電鍍必須是裸線,在制作過(guò)程中容易碰線從而改變性能,各線圈之間需要多點(diǎn)串連焊接,焊點(diǎn)狀況也是各不相同焊點(diǎn)又多。由于結(jié)構(gòu)形式和加工方法決定了各個(gè)傳感器性能的離散性很大。為了確保各個(gè)傳感器的線性,使其具有較高的精度,較窄的量程和使用溫度范圍。

由于是手工制作,因此各熱流傳感器的一致性(線長(zhǎng)、電阻、電容、電感等)不是很高,分辨率較低,特別是在保證線性的基礎(chǔ)上只能有較窄的量程。

1969年前后,隨著對(duì)高精度熱流測(cè)量的需求,提出了利用半導(dǎo)體材料制作熱流傳感器的感測(cè)元件:熱電堆。既采用集成電路工藝,以硅膜作介質(zhì),采用擴(kuò)散和粒子注人、硅外延、陽(yáng)極氧化、腐蝕多孔硅、物理或化學(xué)氣相淀積絕緣介質(zhì)等技術(shù)在硅膜上制備熱電堆。這類傳感器具有具有線長(zhǎng)一致、電阻、電容、電感一致等特點(diǎn),因此具有更高的靈敏度、量程和工作溫度范圍。為通用領(lǐng)域提供經(jīng)濟(jì)實(shí)用精度更高的熱流檢測(cè)儀器。

由于采用了半導(dǎo)體制造工藝,使的各熱流傳感器的一致性(線長(zhǎng)、電阻、電容、電感等)和性能(如工作溫度、量程、分辨率和響應(yīng)時(shí)間)得以大幅提高,特別是使其可以在很大的量程內(nèi)具有良好的線性。

2002年,出現(xiàn)具有更高測(cè)量精度的薄膜熱流傳感器,以滿足航空航天和軍事科學(xué)的更高精度測(cè)量需要,使對(duì)微小熱量變化的測(cè)量成為了可能。它是新的專利(EU patent:PCT/FR02/04033)技術(shù):是由位于中間的低導(dǎo)熱材料金屬薄片和被涂覆在其兩面的高導(dǎo)熱材料沉積層構(gòu)成的器件。涂覆材料的一面被能量照射,而另一面的背面覆蓋有熱屏障。照射的能量流量差引起一個(gè)電勢(shì)能,它能容易地產(chǎn)生微小的電流。這個(gè)電流比例于能量流量。

由于采用新的專利技術(shù),使的薄膜熱流傳感器非常的薄,典型厚度為0.4mm;各熱流傳感器的一致性(線長(zhǎng)、電阻、電容、電感等)和性能(如量程、分辨率和響應(yīng)時(shí)間)更高,特別是可確保其在很大的量程內(nèi)具有良好的線性;其響應(yīng)時(shí)間的典型值為25ms,因此它們能被用于不穩(wěn)定熱流或探測(cè)如突發(fā)的輻射熱流等瞬態(tài)測(cè)量;超薄的厚度,也使其當(dāng)被安裝在表面時(shí),它們與常規(guī)的傳感器相比,是不敏感于空氣縫隙的。

上述是用于測(cè)量熱傳導(dǎo)的熱阻式熱流傳感器的發(fā)展進(jìn)程。

在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,線繞熱阻式熱流傳感器已經(jīng)被更高性能的半導(dǎo)體熱電堆式熱流傳感器和薄膜式熱流傳感器所取代。塞式(Schmidt Boelter)和其它形式的輻射熱流計(jì)也正在逐漸被由快速響應(yīng)型薄膜熱流傳感器構(gòu)成的輻射熱流傳感器所取代。但是用于高速瞬態(tài)快速測(cè)量(10~20ms)的圓箔式(Gardon)熱流傳感器一直沿用至今。這是因?yàn)樽钚碌目焖夙憫?yīng)型薄膜熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間還不能超過(guò)20ms。

熱流計(jì)的顯示儀表從最初的毫伏計(jì)、數(shù)字電壓表也已經(jīng)發(fā)展到使用高精度的數(shù)據(jù)記錄儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

熱流計(jì)在我國(guó)的發(fā)展

用于瞬態(tài)快速測(cè)量(10~20ms)的圓箔式輻射式熱流傳感器一直在我國(guó)的軍工企業(yè)制造和使用。

80年代初,為了配合我國(guó)節(jié)能工作的需要,由國(guó)家投資、北京自動(dòng)化技術(shù)研究所(現(xiàn)為北京自動(dòng)化技術(shù)研究院)承擔(dān)了仿制日本昭和電株式會(huì)社的HFM-101和HFM-115型熱流計(jì)及配套線繞式熱流傳感器,國(guó)產(chǎn)后的型號(hào)為CHF并一直生產(chǎn)銷售至今。

近幾年,我國(guó)的一些科研院所也進(jìn)行過(guò)薄膜熱流傳感器的研制并取得了成功,但遺憾的是至今沒(méi)有形成工業(yè)化生產(chǎn)。

校準(zhǔn)熱流計(jì)應(yīng)該對(duì)其熱流傳感器和顯示儀表分別予以單獨(dú)的校準(zhǔn)。

熱流傳感器的校準(zhǔn)方法有二:一是絕對(duì)法校準(zhǔn),依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 10294(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/DIS 8302);二是比較法校準(zhǔn),依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 10295(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/DIS 8301),但是必須要求計(jì)量機(jī)構(gòu)提供其使用的標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器的檢定證書。

顯示儀表的校準(zhǔn)方法:依據(jù)所使用顯示儀表的不同,參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)即可。一般至少要進(jìn)行直流電壓輸入通道的校準(zhǔn),如果熱流傳感器帶有熱電偶溫度傳感器還應(yīng)進(jìn)行熱電偶輸入通道的校準(zhǔn)。

熱流傳感器與被測(cè)物粘貼緊密程度

緊密粘貼或使用導(dǎo)熱硅脂

熱流傳感器與被測(cè)物粘貼的緊密程度,對(duì)熱流的穩(wěn)定時(shí)間有著非常大的影響。粘貼越緊密,穩(wěn)定越快,測(cè)量偏差越小;反之,測(cè)量偏差越大。因此,在瞬態(tài)熱流傳感器的使用過(guò)程中,要盡量保證熱流熱流傳感器能夠緊密地粘貼被測(cè)物體,這樣才能減少測(cè)量時(shí)間,提高測(cè)量精度。導(dǎo)熱膠(導(dǎo)熱硅脂)的應(yīng)用,為解決這個(gè)問(wèn)題提供了非常好的條件。

熱流傳感器厚度

越薄越好。

當(dāng)熱流傳感器厚度為0.1mm時(shí),被測(cè)物表面熱流穩(wěn)定非�？�,從開(kāi)始到穩(wěn)定只用了約0.5s的時(shí)間,通過(guò)熱流傳感器的熱流值與實(shí)際值相差2.92%。當(dāng)熱流傳感器厚度增加到1mm時(shí),穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到了8s,為原來(lái)的16倍,熱流值的偏差達(dá)到了6.26%。這主要是由于熱流傳感器厚度的增加,加大了熱流傳感器引入的熱阻,使通過(guò)熱流傳感器的熱流值產(chǎn)生了較大偏移。

熱流傳感器邊長(zhǎng)

越長(zhǎng)越好,最優(yōu)值20mm~30mm

熱流傳感器邊長(zhǎng)的改變并沒(méi)有給熱流的穩(wěn)定時(shí)間造成太大影響,卻給穩(wěn)定值帶來(lái)較大的偏差。邊長(zhǎng)從5mm變成10mm時(shí),穩(wěn)定熱流值減小了8.4%,與實(shí)際值相差6.51%;邊長(zhǎng)從10mm變?yōu)?0mm時(shí),熱流減小了4.3%,與實(shí)際值相差1.94%;邊長(zhǎng)從20mm變?yōu)?0mm時(shí),熱流僅僅減小了0.4%,已經(jīng)和真實(shí)值基本重合。這說(shuō)明,熱流傳感器邊長(zhǎng)越長(zhǎng),穩(wěn)定值越準(zhǔn)確,且邊長(zhǎng)一定存在著一個(gè)最優(yōu)值。這個(gè)最優(yōu)值既能保證熱流傳感器盡可能小,又能保證所測(cè)熱流的準(zhǔn)確性。從本文的計(jì)算來(lái)看,這個(gè)最優(yōu)值約為20mm。當(dāng)被測(cè)物表面近似認(rèn)為半無(wú)限大時(shí),20mm可能是測(cè)量精度和熱流傳感器尺寸的最佳結(jié)合點(diǎn)。

(主要內(nèi)容摘自《熱流計(jì)測(cè)量精度影響因素的數(shù)值分析》,節(jié)能,2005年第2期)

熱流計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)包括:

1、熱流量程

決定了可以測(cè)得的最大熱流值。由所配熱流傳感器的熱流量程和熱流計(jì)主機(jī)的電壓量程決定。

越大越好,以滿足更多的測(cè)量需求。

2、熱流分辨率熱流靈敏度

決定了可以測(cè)得的最小熱流值。由所配熱流傳感器的靈敏度和熱流計(jì)主機(jī)的電壓靈敏度決定。

分辨率越小越好(靈敏度越高越好)。

特別是對(duì)于節(jié)能、建筑節(jié)能保溫和其它保溫性能測(cè)試,選擇高靈敏度的熱流計(jì)可以最大程度的適應(yīng)將來(lái)嚴(yán)格的節(jié)能檢測(cè)和節(jié)能監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求,以及保溫性能在日益提升的保溫材料的測(cè)試要求。

3、精度

由所配熱流傳感器的精度和熱流計(jì)主機(jī)的電壓測(cè)量精度決定。

4、溫度量程

如果傳感器帶有內(nèi)置的熱電偶。

5、采樣速率

由所配熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間和熱流計(jì)主機(jī)的采樣速率決定。對(duì)于輻射熱流計(jì)是必須考慮的。

6、其它:如存儲(chǔ)容量,顯示更新速率,通訊接口和軟件等。

在此需要特別指出的是,日本KYOTO公司的HFM-201和HFM-215型熱流計(jì)在其產(chǎn)品資料將顯示量程寫為了測(cè)量量程,這將嚴(yán)重的誤導(dǎo)購(gòu)買者。如熱流量程寫為:0~±9999 w/m2或kcal/m2h,但其所能配置的全部熱流傳感器均不能達(dá)到這個(gè)范圍;溫度量程寫為:鉻-鋁熱電偶-99.9~999.9℃/銅-鎳熱電偶-199.9~400.0℃,但其所配置的所有傳感器的使用溫度均小于這個(gè)范圍,如常用的TR2型熱流傳感器的熱流量程僅為10~3000kcal/m2h(約11.6~3500 W/m2)/工作溫度-40~150℃,T500型熱流傳感器的熱流量程僅為300~15000 kcal/m2h(約0.35~17.38 kW/m2)/工作溫度70~500℃。

因此,購(gòu)買者在選擇熱流計(jì)時(shí),必須關(guān)注和仔細(xì)閱讀其熱流傳感器的相關(guān)技術(shù)指標(biāo),以確保購(gòu)買到適合的熱流計(jì)。

1、日本KYOTO-KEM的熱流計(jì)量程、分辨率依據(jù)制造商資料中給出的kcal/m2h單位換算得到(1 kcal/m2h=1.1587 w/m2)。

2、CHF各傳感器的熱流量程和分辨率制造商沒(méi)有給出，由于其是仿制于日本KYOTO-KEM公司的早期型號(hào)HFM-101和HFM-115，所以依據(jù)日本KYOTO-KEM的熱流計(jì)量程、分辨率給出。