热通量测量

典型的热通量传感器。热量就是通过上图中的圆板, 信号则由
所示电缆输出。 尺寸:圆板直径80毫米。
图示热通量传感器的型号为HFP01
用于研究火焰和火苗的热通量的典型的水冷热通量传感器;有时也称作戈登表或施密特贝尔特表。图为型号为SBG01的施密特贝尔特表。
典型的用于研究辐射热流量以及对流热通量的传感器,照片中的传感器型号为RC01,它在散热片上装有一个镀金的热通量传感器和和一个黑色涂层的热通量传感器。镀金传感器只测量对流热通量,而黑色的传感器则同时测量辐射和对流热通量。另外,增加了一个较小的空气温度传感器可以用来估算周围的传热系数。

热通量传感器是将热通量按一定比例转换成电信号的转换器的统称。这些热通量可以有不同的热源;大体上可以测量的热源有对流,辐射,以及热传导。热通量传感器还有一些其它名称,如热通量转换器,热通量表,热通量板。此外,还有一些仪器,实际上是单一用途的热通量传感器,如日射强度计(用于测量太阳辐射的强度)和施密特贝尔特表(用于测量由火源产生的热通量) 。在SI单位,热通量的单位为“瓦每平方米”。

用法

热通量传感器用于多个应用。常见的应用包括建筑物外层的隔热研究,火焰或火苗的热效应研究,以及激光功率测量。其它的一些应用包括对锅炉内部污垢的估计,对移动的铝箔材料的温度的测量等。

热通量根据来源分为热传导,对流和辐射种。根据不同的应用,人们可能要测量所有这三种或其中之一。一个测量热传导热通量的例子是将热通量板放入墙内来测量。

测量辐射热通量的一个例子是测量太阳辐射强度的日射强度计。

测量传感器对辐射热通量和对流热通量的敏感度的一个例子是戈登或施密特贝尔特表,它用于研究的火焰和火苗。

有各种各样的传感器在内部使用了热通量传感器,如激光功率表,日射强度计等

以下我们将讨论热通量传感器在这三方面的应用。

气象学和农业的应用

土壤热通量是农业气象研究中一个最重要的参数,因为它使人们可以研究土壤中储藏的能量和时间的函数关系。

通常两个或三个传感器埋在气象观测站地面下约4厘米的地方。这里遇到的问题有三个方面:

  • 首先土壤的热性能的不断变化,这是由于土壤吸收和蒸发水份引起的。
  • 其次通过土壤的水流也是一种流动的能量,连同热突变,传统传感器往往由此得出错误的结论。
  • 第三,土壤是,不断的浸湿和干燥以及动物在土壤上的活动,传感器和土壤之间的接触质量变成不可知量。

由于这些原因,土壤热通量测量中的数据质量难以控制;因此测量土壤热通量被认为是极其困难的。

Typical heat flux sensor for measurement of solar radiation.
Photo show model LP02 with a black coated heat flux sensor
on a metal heat sink. The black sensor measures radiative
as well as convective heat flux. the glass dome transmits
solar radiation and eliminates convective heat flux

建筑物理中的应用

随着世界对节约能源更多的关注,对建筑物的热性能的研究已经引起人们越来越多的兴趣。一个起点是人们在现有的、特别是专门为此类研究专门建造的建筑物或结构的墙上安装热通量传感器。

测量墙的热通量和测量土壤的热通量在许多方面是可以比较的。两个主要的不同点是墙壁的热性能通常是不变的,而热通量传感器不是总可以被放入墙内的,所以,有时它只能被安装在墙的表面。当热通量传感器必须安装在表面时,必须考虑热阻不能太大。传感器的光谱特性也应尽量和墙的特性相配,尤其当传感器被阳光辐射时,这种匹配性就更加重要。在这种情况下,应该考虑将传感器漆成和墙壁相同的颜色。另外,也可以考虑使用带自我校准功能的热通量传感器。

医学研究中的应用

对人体的热量交换的测量在医学研究中是很重要的,在服装、救生衣、和睡袋的设计中,也一样重要。

困难的是,人的皮肤并不特别适合安装热通量传感器。此外,传感器必须很薄,因为皮肤基本上是一个恒温的散热片,所以说热阻必须避免。另一个问题是,测试者是移动的,传感器和人的连接可能能会由于移动而失去。因此,当需要高质量的测量时,建议使用自我校准型传感器。

属性

热通量传感器用于测量一个方向上的热通量。单位是瓦特每平方米。计算公式为:

Φq = Vsen / Esen

Vsen i是传感器输出值, Esen 是对应这一传感器的校准系数。

General Heat Flux Sensor 一般特性的热流传感器。

如图所示,热通量传感器通常的形状是平板状的,被测量热通量方向垂直于传感器表面。

通常使用热电堆。热电堆的优点是稳定、低电阻值(这意味着较小的电磁干扰)、良好的信噪比、以及零输入必然得到零输出。缺点是灵敏度比较低。

为更好地理解热通量传感器的原理,可以建立一个模型,类似于一个简单的由电阻R和电容C组成的电路。通过这种方法,人们可以理解传感器有热阻Rsen, 热容 Csen 以及响应时间τsen。

通常情况下,整个热通量传感器的热阻和热容等于填充材料热阻和热容。类比于电子电路,可以得到热响应时间为:

τsen = Rsen * Csen = d2 * ρ * Cp / λ

其中 d 是传感器的厚度, ρ 为密度, Cp 为热容, λ 为导热系数。 从这个公式我们可以得出这样的结论:填充材料的性能和尺寸的决定了传感器的响应时间。作为一个经验法则,响应时间与厚度的平方成正比。

其他决定传感器特性的参数,包括热电偶的电特性。热电偶受温度影响的特性造成了热通量传感器同样受温度影响以及一定的非线性。传感器在某一温度上的非线性实际上是由热偶在这一温度上受温度影响造成的。

然而,精心设计的传感器可以做到比预计好的结果,如受温度影响较小,以及有很好的线性。有两种方法实现这一目标:

  • 第一,填充材料和热偶的传导率受温度的影响可以用来抵消热电堆所产生的电压受温度的影响。
  • 另一种方法是,是利用带热敏电阻的电阻网络。热敏电阻受温度的影响可以平衡热电堆受温度的影响。

另一个因素是决定热通量传感器性能的是传感器的构造。有些设计本身就会造成传感器灵敏度的不均匀。甚至有些设计会受横向的热通量的影响。上面图示的传感器也会对左右方向的热通量做出反应。但这种反应不会是问题,只要热通量是均匀的,并且方向是单一的。

Sandwich construction Sandwich construction.

为了提高热通量传感器的灵敏度均匀性,我们可以将传感器做成左图所示的三明治结构。高导通率金属板的作用是为了改善通过整个传感器的热量传输。

对传感器的不均匀性,以及受横向热通量的影响是难以量化的非。有些传感器会有一个额外的引线,将传感器分为两部分。在应用过程中,如果热通量或传感器不均匀,这两部分会有不同的输出。

结论:衡量热通量传感器性能的主要特性包括:导热系数、总热阻、热容量、响应时间、非线性、稳定性、温度对灵敏度的影响、灵敏度均匀性、以及横向热通量对灵敏度的影响。最后两种性能,目前还没有很好的将他们量化的方法。

误差来源

对热通量传感器测量结果的解释通常是基于以下假设的:即我们所研究的现象是准静态的,以及热量传输的方向是垂直于传感器表面的。而实际过程中的动态效应,以及横向的热通量都可能是误差来源。

动态效应

准静态的假设应该和传感器的响应时间相关。

热流传感器作为辐射探测器 热流传感器作为辐射探测器。

热通量传感器用来作为辐射探测器的情况(见左图)可以说明不断变化的热通量对测量的影响。假设传感器冷极的温度恒定,热量从时间t(t>0)开始向传感器流动 , 该传感器的反应是:

Vsen = Esen * (1 - e-t/τsen)

这表明,人们可以遇见在开始一段时间内(几倍于该传感器的响应时间 τsen,所得到的结果是错误的。一般来讲,热通量传感器的响应是相当缓慢的,需要几分钟的时间,才能达到95 %的响应。这就是为什么人们工作时,希望有一段较长时间内的完整数据。在此期间,传感器信号上下波动。人们的假设是,由于缓慢的响应时间带来的误差将可以被消除。上升信号会产生误差,下降信号会产生一个同样大的,但是反向的误差,不同的迹象,显然,这种假设只适用于这段时间内热流是稳定的。

为了减小较长的响应时间带来的误差,我们应使用 RsenCsen值较小的传感器,因为它们决定了传感器的响应时间,换句话说:使用质量小、厚度薄的传感器。

以上有关传感器响应时间的公式只在冷极温度恒定的条件下成立,当传感器温度变化时,可能会有非预期的结果。