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    传导式热流计的计量校准方法

    • 发表时间:2021-03-08 01:45:35
    • 来源:本站
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          随着热流计的相关技术的不断发展,多种形式热流计计量校准方法和计量校准装置被人们不断的实践,目前热流计计量校准方法按照原理主要分为绝对法和相对法两大类。根据装置的不同形式,绝对法又可以分为保护热板法、箔加热法、昭和法等,相对法又根据装置的设计方式分为多种不同的表现形式。
     
          1、保护热板法
          由于热流计计量校准原理与理论依据与导热系数测量相似,以此在未制定相应的热流计规范之前,热流计计量校准装置和计量校准方法主要参照导热系数测量方法进行。保护热板法原本是国际上通用的测量绝热材料导热系数的标准方法之一,主要参照国家标准ISO8302《绝热、稳态热阻及有关特性的测定—防护热板法》],也已经制订了相应的国标。美国材料实验协会(ASTM)基于保护热板法原理,制定了热流测量标准ASTMC177《用保护式热板装置测量稳态热流和热传输性能的标准试验方法》,如河北省计量监督检测研究院,辽宁省计量科学研究院等也起草了相关的热流计计量校准。保护热板法基于无限大平板的单向稳定传热原理。当主加热器和冷却器温度恒定时,主加热器功率与其散热面积之比即等于热流密度。装置根据原理可以分为单试样法和多试样法,基本原理如图1所示,计量校准时,通过控制主均热板和冷板温度,使热板和冷板之间形成均匀稳定的热流,同时通过控制保护加热器,使保护热板与主加热板温度一致,从而防止热量的侧向流失。在稳态下,通过测量主加热器的功率,在已知主均热板面积的条件下,即可得到标准热流密度。

     保护热板法装置示意图

          PonteFD在19世纪80年就采用类似装置对热流计计量校准进行研究,对单试样和双试样进行了实验及理论分析[],其研制的300mm防护板法导热系最大误差接1%。上海机械工程学院秦永烈等学者早在上世纪80年代就开始研究相关装置,并对其测量精度进行了理论分析[8],根据装置和被测热流计的不同,计算得到热损失均在3%以内。后来上海交通大学,辽宁省计量科学研究院,西安理工大学等单位先后制成了基于保护热板法的计量校准装置,并进行了不同程度的改进。辽宁省计量科学研究院研制的单试样法热流计计量校准装置经验证不确定度在2%以内。西安理工大学韩飞等研制的计量校准装置热流密度偏差在1.5%以内。目前保护热板法仍然是最准确热流计计量校准方法之一,但是由于其结构较为复杂,计量校准时需要较长的平衡时间,对计量校准速度有一定影响。
     
          2、箔加热法
          箔加热法是采用金属箔制成的加热器代替绝对法中的主加热器。目前主要金属箔一般采用聚酰亚胺或铜箔为基材刻蚀加热电路的方法,制成较薄的加热片。其测量过程可参照ASTMC1114《薄加热设备稳态热传导特性的标准试验方法》。[12]由于金属箔厚度极薄,因此热量侧向散失可以忽略不计,在金属箔底部增加温差控制器和保护热板后,其装置与单热板法类似,如图2所示,计量校准时,通过控制箔加热器的功率来确定热流密度大小,通过检零热流计控制保护加热器温度,使得箔加热器的热流只能单侧流向被测热流传感器,同时控制冷板温度保证热流和温度平衡。清华大学王补宣等早在1984年就采用5μm的铜箔作为加热器来产生热流,并对装置进行了数值分析[。中国计量科学研究院就以此为原理发明了一种热流计计量校准装置,通过实验和理论分析的方法分析得到其不确定度可以达到1%[14]。由于金属箔加工技术的不断提高,箔加热法成为近几年研究较多的检测方法。与保护热板法相比,箔加热法的设备减少了侧向保护装置,因此装置体积和复杂程度均得到改善,另外箔加热器热容较小,平衡时间一般较短,可以完成快速计量校准

     箔加热法示意图

          3、昭和式
          昭和式测量方法也是基于无限大平板理论,其设计初衷是模拟热流计的真实使用过程,计量校准时只有热板,没有冷板,计量校准时将传感器一侧直接贴在热板上,另外一侧采用直接暴露在空气中,装置如图3所示,由于计量校准时容易受外界空气变化的影响,且平板上的热流因为探头的存在发生扭曲,其测量结果与其他几种方式相差可达20%]。因此目前这种方法应用较少,仅日本昭和电工株式会社(现KYOTO-KEM)用于计量校准TR2型热流传感器。但是由于昭和式测量方法对冷面形状没有要求,可以解决一些背面形状特殊的热流计计量校准问题。

     昭和式热流计标定装置示意图

          4、相对法
          相对法即通过已经经过计量校准的的热流计作为标准来测量被检热流计的方法。测量装置和方法可参照ISO8301[16]或GB/T10295《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》[17]。一般采用标准热流计和被测热流计叠放,或对称放置的方式,如图4所示。测量时,控制加热器功率和冷板温度,当系统达到稳态时,分别读取标准热流计和被测热流计的示值,通过比较二者差值计算其误差。李斌等学者根据这种原理对热电堆型热流计进行了标定。还有研究者采用相同工况下对标准热流计和被检热流计分别测量的方式[19]。相对法计量校准热流计时,测量比较直观,对设备的稳定性要求较低。同时计量校准时,需要有经过计量校准的标准热流计,而且要求形状厚度基本相同。被检热流计准确性取决于标准热流计是否准确,因此一般情况下测量不确定度要比绝对法大,通常超过5%

     相对法计量校准装置原理图

          5、其他方法
          除上述应用较多的方法外,近年来一些研究者还提出了一些其他的测量方法。如中科院力学所采用材料的热容标定热流计的方法。此方法的基本原理是将热流计与一个导热性好的高温物体紧密贴合,并将高温物体的其余各面保持绝热,通过高温物体的质量,比热容等已知参数以及对高温物体温度的测量来计算瞬态热流,从而对热流计进行计量校准或标定]。上海市计量科学研究院葛志松等提出采用已知材料导热系数测量热流的方法,即通过测量导热系数标准材料的两侧的温差,推导出热流密度,从而对热流计进行标定和计量校准[22]山东省计算中心郑晓势等提出采用冷箱和热箱法测量热流的方法,通过热箱和冷箱温度的控制产生稳定的热流,通过对导热平板两侧温度的测量推导出热流密度

    本文《传导式热流计的计量校准方法》,链接:http://www.jiaozhun.co/jingyan/137.html
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