《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-24导热热流计.docx

导热热流计

热阻式热流传感器的工作原理

当热流通过平板状的热流传感器时，传感器热阻层上产生温度梯度，根据傅立叶定律可以得到通过热流传感器的热流密度（W/m2）为

q=-λ?t?x

式中?t?x——垂直于等温面方向的温度梯度，

λ——热流传感器材料的导热系数，W/（m·℃）。

式中负号表示热流密度方向与温度梯度方向相反。若热流传感器的两侧平行壁面，各保持均匀稳定的温度t和t+?t，热流传感器的高度与宽度远大于其厚度，则可以认为沿高与宽两个方向温度没有变化，而仅沿厚度方向变化，对于一维稳定导热，可将上式写为

q=-λ?t?

式中?t——两等温面温差，

?x——两等温面之间的距离，m。

由REF_Ref25249\h式（2）可知，如果热流传感器材料和几何尺寸确定，那么只要测出热流传感器两侧的温差，即可得到热流密度。根据使用条件，选择不同的材料做热阻层，以不同的方式测量温差，就能做成各种不同结构的热阻式热流传感器。如果用热电偶测量上述温差△t，并且所用热电偶在被测温度变化范围内，其热电势与温度呈线性关系时，其输出热电势与温差成正比，这样通过热流传感器的热流为

q=λECδ=

E=CΔt

式中C——热流传感器系数，C=λC’δ，

C——热电偶系数；

δ——热流传感器厚度,m；

E——热电势，mV。

C值反映了热流传感器的灵敏度。高热阻型传感器δ/λ值大，C值大，低热阻型传感器反之。在测传热工况非常稳定的情况下，高热阻型热流传感器易于提高测量精度及用于小热流量测量。但是由于高热阻型热流传感器比低热阻型热流传感器热惰性大，这使得热流传感器的反应时间增加。如果在传热工况波动较大的场合测定，就会造成较大的测量误差。

热流传感器的种类很多，早期的热量传感器采用的是绕线式结构（REF_Ref26153\h图1）。常用的有用于测量平壁面的板式（WYP型）和用于测量管道的可挠式（WYR型）两种。平板热流传感器是由骨架、热电堆片及引线柱等组成。外形尺寸一般为130×130×1（mm）。热电堆片是由很多对热电偶串联绕在芯板上组成（REF_Ref26192\h图2）。

平板热流传感器（b）可挠式热流传感器

图1热流传感器的结构图

1—骨架；2—热电堆片；3—引线柱

图2热电堆片示意图

1—芯板；2—热电偶接点；3—热电极材料A；4—热电极材料B

由热电偶原理可知，总热电势等于各分电势叠加。因此当有微小热流通过热电堆片时，虽然芯板两面温差?t很小，但也会产生足够大的热电势，以利于显示出热流量的数值，并达到一定的精度。热电堆的引出线相互串联，二端头焊于引线柱上，最后在表面贴上涤纶薄膜作为保护层。绕线式热量传感器由于手工制作，各传感器特性之间一致性差，分辨率较低，量程范围小。随着对高精度热流测量的需求，20世纪60年代末开始出现利用半导体材料制作热流传感器；由于采用半导体制造工艺，使得各热流传感器的一致性和性能（如工作温度、量程、分辨率和响应时间）得以大幅提高，量程范围增大。20世纪90年代中开始，采用大规模集成电路制造工艺制造热流传感器，出现具有更高测量精度的薄膜热流传感器，以满足更高精度测量的需要，使对微小热量变化的测量成为可能。

热流传感器产生的热电势E，早期采用电位差计、动圈式毫伏表以及数字式电压表进行测量，利用REF_Ref26702\h式（3）求出热流。近些年出现的高精度数字式记录仪表或数据采集系统，不但可以直接显示测量的热流、显示数据曲线、打印报告等，还可以同时测量构件不同表面的温度，进而得出构件的热阻。

多通道热流计是常用的数字式热流记录仪表，可以连接多个不同规格、类型的热流传感器。使用多通道热流计时，往往需要输入连接的传感器灵敏度C值或传感器分辨率1/C，仪器根据连接的传感器灵敏度或传感器分辨率，将输入电压值转化为热流值。

热流传感器的校准

热流传感器系数C表示的是：当热流传感器有单位热电势输出时，垂直通过其敏感元件的热流密度。当λ和C’值不受温度影响为定值时，C为常数。实际上热流传感器系数C对于给定的热流传感器不是一个常数，而是工作温度的函数。由于组成热流传感器的热电堆的材质、加工工艺等都会影响热流传感器系数C，因此每个热流传感器都必须分别校准。在常温范围内工作的热流传感器，校准的C值实际上可视为仪器常量，对测量不会造成很大误差。但用于测量冷库壁面热流时，由于工作温度远离标定时温度，实际的C值会低于原标定值；另外由于工作条件发生变化，将出现结露等复杂情况，如果不重新校准，会造成较大的测量误差。由REF_Ref26702\h式（3）可知，为了测定热流传感器系数C值，必须建立一个稳定的具有确定方向（单向或双向