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

這是熱流計最常用的一種應(yīng)用,主要是對各種設(shè)備的保溫性能測試,包括各種工業(yè)爐窯、熱力輸送管道、建筑物、冷庫、紡織物和服裝、人員輸送工具(客車、客輪、客機等)、暖棚等,地熱和土壤熱流的測試,制造熱流法熱導(dǎo)率測試設(shè)備等等。

對于各種工業(yè)爐窯、熱力輸送管道、建筑物、冷庫等的保溫性能測試,通常被稱為節(jié)能監(jiān)測(節(jié)能檢測或節(jié)能測試),對于此類測試我國已有相應(yīng)的國家標準,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試與評價,GB/T 10295-2008 絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定-熱流計,GB/T 17357-2008 設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場測定-熱流計法和表面溫度法。。

熱輻射測試

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

在此類測試中有些項目可以需要考慮同時進行熱對流的測試。

此類測試有些也有相應(yīng)的國家標準,如:GB/T 11785-2005等。

熱對流的測試

強制對流換熱設(shè)備的測試等。

因為熱流傳感器是熱流計的一個敏感元件,因此熱流傳感器的發(fā)展進程決定的熱流計的發(fā)展進程。

1914年,出現(xiàn)了最早應(yīng)用于現(xiàn)場直接測量熱流的熱流傳感器。當時德國的Henky教授要測量通過啤酒廠內(nèi)地板的熱流,他用10 cm厚的軟木板覆蓋地板,測出軟木板上下兩面的溫度差,和軟木板的導(dǎo)熱系數(shù)從而計算出熱流密度。

1924年,Schmidt設(shè)計了由繞在橡膠帶上的熱電堆組成的帶狀熱流傳感器用來測量帶有保溫層的管道的熱流密度。一般認為這是第一種實用的熱流傳感器。當前廣泛應(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題在于:一片板條上繞線圈只有板條的兩個端頭接觸,無法定型規(guī)范,每一圈扁、圓不可能一致,而一個測頭有幾百圈,使得各個測頭千差萬別,另外線圈為了電鍍必須是裸線,在制作過程中容易碰線從而改變性能,各線圈之間需要多點串連焊接,焊點狀況也是各不相同焊點又多。由于結(jié)構(gòu)形式和加工方法決定了各個傳感器性能的離散性很大。為了確保各個傳感器的線性,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、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,隨著對高精度熱流測量的需求,提出了利用半導(dǎo)體材料制作熱流傳感器的感測元件:熱電堆。既采用集成電路工藝,以硅膜作介質(zhì),采用擴散和粒子注人、硅外延、陽極氧化、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一致、電阻、電容、電感一致等特點,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)濟實用精度更高的熱流檢測儀器。

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、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)的更高精度測量需要,使對微小熱量變化的測量成為了可能。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電勢能,它能容易地產(chǎn)生微小的電流。這個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、電阻、電容、電感等)和性能(如量程、分辨率和響應(yīng)時間)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)時間的典型值為25ms,因此它們能被用于不穩(wěn)定熱流或探測如突發(fā)的輻射熱流等瞬態(tài)測量;超薄的厚度,也使其當被安裝在表面時,它們與常規(guī)的傳感器相比,是不敏感于空氣縫隙的。

上述是用于測量熱傳導(dǎo)的熱阻式熱流傳感器的發(fā)展進程。

在歐美等發(fā)達國家,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)快速測量(10~20ms)的圓箔式(Gardon)熱流傳感器一直沿用至今。這是因為最新的快速響應(yīng)型薄膜熱流傳感器的響應(yīng)時間還不能超過20ms。

熱流計的顯示儀表從最初的毫伏計、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)。

熱流計在我國的發(fā)展

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

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

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

校準熱流計應(yīng)該對其熱流傳感器和顯示儀表分別予以單獨的校準。

熱流傳感器的校準方法有二:一是絕對法校準,依據(jù)國標GB/T 10294(國際標準化組織 ISO/DIS 8302);二是比較法校準,依據(jù)國標GB/T 10295(國際標準化組織 ISO/DIS 8301),但是必須要求計量機構(gòu)提供其使用的標準熱流傳感器的檢定證書。

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

熱流傳感器與被測物粘貼緊密程度

緊密粘貼或使用導(dǎo)熱硅脂

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

熱流傳感器厚度

越薄越好。

當熱流傳感器厚度為0.1mm時,被測物表面熱流穩(wěn)定非常快,從開始到穩(wěn)定只用了約0.5s的時間,通過熱流傳感器的熱流值與實際值相差2.92%。當熱流傳感器厚度增加到1mm時,穩(wěn)定時間達到了8s,為原來的16倍,熱流值的偏差達到了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,使通過熱流傳感器的熱流值產(chǎn)生了較大偏移。

熱流傳感器邊長

越長越好,最優(yōu)值20mm~30mm

熱流傳感器邊長的改變并沒有給熱流的穩(wěn)定時間造成太大影響,卻給穩(wěn)定值帶來較大的偏差。邊長從5mm變成10mm時,穩(wěn)定熱流值減小了8.4%,與實際值相差6.51%;邊長從10mm變?yōu)?0mm時,熱流減小了4.3%,與實際值相差1.94%;邊長從20mm變?yōu)?0mm時,熱流僅僅減小了0.4%,已經(jīng)和真實值基本重合。這說明,熱流傳感器邊長越長,穩(wěn)定值越準確,且邊長一定存在著一個最優(yōu)值。這個最優(yōu)值既能保證熱流傳感器盡可能小,又能保證所測熱流的準確性。從本文的計算來看,這個最優(yōu)值約為20mm。當被測物表面近似認為半無限大時,20mm可能是測量精度和熱流傳感器尺寸的最佳結(jié)合點。

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

熱流計的主要技術(shù)指標包括:

1、熱流量程

決定了可以測得的最大熱流值。由所配熱流傳感器的熱流量程和熱流計主機的電壓量程決定。

越大越好,以滿足更多的測量需求。

2、熱流分辨率熱流靈敏度

決定了可以測得的最小熱流值。由所配熱流傳感器的靈敏度和熱流計主機的電壓靈敏度決定。

分辨率越小越好(靈敏度越高越好)。

特別是對于節(jié)能、建筑節(jié)能保溫和其它保溫性能測試,選擇高靈敏度的熱流計可以最大程度的適應(yīng)將來嚴格的節(jié)能檢測和節(jié)能監(jiān)測標準要求,以及保溫性能在日益提升的保溫材料的測試要求。

3、精度

由所配熱流傳感器的精度和熱流計主機的電壓測量精度決定。

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)時間和熱流計主機的采樣速率決定。對于輻射熱流計是必須考慮的。

6、其它:如存儲容量,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型熱流計在其產(chǎn)品資料將顯示量程寫為了測量量程,這將嚴重的誤導(dǎo)購買者。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到這個范圍;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,購買者在選擇熱流計時,必須關(guān)注和仔細閱讀其熱流傳感器的相關(guān)技術(shù)指標,以確保購買到適合的熱流計。

1、日本KYOTO-KEM的熱流計量程、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有給出，由于其是仿制于日本KYOTO-KEM公司的早期型號HFM-101和HFM-115，所以依據(jù)日本KYOTO-KEM的熱流計量程、分辨率給出。