热流传感器校准

热流传感器的校准Author：SummitRock，March 2012热流传感器作为热流计的一次敏感器件，其测量结果的准确性是决定热流计测量结果的准确性的最关键因素。

因此热流传感器在出厂前或使用一段时间后都要进行标定。

另外，热流传感器在使用时，常常是粘贴在被测物体和表面或者埋没在被测物体的内部，这都会影响被测物体原有的传热状况，为了对这个影响有一个准确的估计，就必须知道热流传感器自身的热阻等性能，这也要在标定过程中加以确定。

一、 热阻式热流传感器的校准(一) 标定的物理基础在传感器标定时，传感器系数是由通过传感器本身的热流密度和传感器输出的电势所决定的。

Eq C =（1）式中：C——热流传感器的系数，单位为W/（m 2•mV ）或W/（m 2•µV ）q——通过热流传感器的，单位为W/m 2E——热流传感器的输出电势，单位为mV 或µV传感器系数的意义是：当传感器的输出电势为1mV 或1µV 时，所通过传感器的热流密度为C （只取其数值）W/ m 2。

标定所得的系数是传感器的固有性能，它不应随标定设备和外界的条件（如环境的温度、风速、环境的辐射性能等，但不包括传感器本身的温度和受压状态）而改变。

使用这种标定方式标定过的传感器测得的热流密度就是通过传感器的热流密度，因此用于比较法导热仪器中作为测量热流的元件是很合适的。

标定热流传感器时，为了确定热流传感器的系数C ，必须要有一个稳定的具有确定方向（单向或双向）的一维热流，其热流密度的数值能够准确测定，其大小可以根据需要给出，也就是说需要一个标准热流发生器。

为了满足热流传感器工作原理中关于其表面是等温面的要求，标准热流发生器的表面必须是一个等温面，其温度应能根据需要而改变。

若要确定传感器的热阻，还必须在标定的同时测出传感器两面的温差及传感器的厚度。

根据测定热流密度的方式，标定方法还可以分成绝对法和比较法两大类，这和测定绝热材料导热系数的稳态方法一样，而且往往就是用导热系数测定器作为标准热流发生器。

(二) 绝对法校准保护热板法是国际上最通用的测量绝热材料导热系数的标准方法之一。

美、英、德等国家都制订有保护热板法测量绝热材料导热系数的国家标准，国际标准化组织ISO/TC 163（ISO/DIS 8302）也已确认此法为国际标准方法之一。

我国也已经制订了保护热板法的标准（GB 10294‐88），已经有几个单位研制了双试样的护环式导热仪，满足了从室温到中等温度（250℃左右）范围内的精确测量的要求。

1.工作原理保护热板法基于无限大平板的单向稳定传热原理。

当平壁两侧温度恒定为t 1和t 2，而且平壁导热系数为常量时，根据傅里叶定律，通过平壁的热流密度为：δt t λq 21-⨯= （2）这就是保护热板式导热仪的理论基础。

在使用时，该仪器可以产生一个一维的均匀热流，其热流及温度均可以调节，而且可以保持稳定。

因此保护热板式导热仪可以作为标定热流传感器用的标准热流发生器。

改变试验条件重复试验，就可以得到传感器系数随一些因素变化的关系。

标定的关键是稳定一维均匀热流的建立和热流密度的测定。

2. 设备结构和操作简述：标定设备的结构如下图所示：两个热流传感器分别放在主热板两侧，再放上两块绝热缓冲块，外侧再用冷板夹紧。

中心热板用稳定的直流电源加热，冷板是用“迷宫式”的水槽板，通以恒温水。

根据不同的工况确定中心加热器的加热功率和恒温水的温度，调整保护圈加热器的加热功率，使保护圈表面均热板的温度和中心均热板表面的温度一致，从而就在热板和冷板之间建立一个垂直于冷、热板面（也垂直于热流传感器表面）的稳定的一维热流场，主加热器所发出的热流均匀垂直地通过热流传感器，热流密度可以计算得到：A2I R q 2⨯⨯=（3）式中：q——计算热流密度，单位为W/m 2A——中心热板的面积，单位为m 2 R——中心热板加热器电阻，单位为Ω I ——通过加热器的电流，单位为A此时测出热流传感器的输出电势E ，单位为mV ，就可以由式（1）得到传感器系数。

(三) 其他绝对法1.单试样保护圈式导热仪标定热流传感器上面叙述的双试样保护圈式导热仪由于结构和试样不完全对称，使热板向两侧流出的热流密度也不完全一致。

可以用上面介绍的方法计算出热板两侧的热流密度，或者用两次实验的平均值方法消除不对称的影响，也可采用单试样的导热仪。

在单试样的保护圈式导热仪中，为使热流单方向一维流动，就要在保护热板的另一侧上装上一块保护板，以及相应的温度跟踪控制器和测量装置，如下图所示。

它的基本原理与双试样式的仪器类似，除了要使主加热器和保护加热器的温度相等，而且还要使主加热器底部的温度和底部加热器的温度相等，因此加热器的热量不能向周围及底部散失，惟一可以传递的方向是通过热流传感器，才能保证一维稳定热流的条件。

由于热流传感器只是向一个方向流出，因此热流密度式与公式（3）中相同。

达到稳定后测出被标热流传感器的输出电势E 以及传感器两边的温度，也同样可以计算出热流传感器系数和热阻等参数。

其他数据与曲线均与双试样的保护板法相同。

热流传感器热流传感器保护 —WWW —加热器保护 —WWW —加热器主加热器 —WWWWWW —主均热板主均热板保护均热板保护均热板保护均热板保护均热板绝热材料冷板外部 保护 —W — 加热 器外部保护 —W — 加热器 保护 —WWW — 加热器 保护—WWW —加热器 主加热器 —WWWWWW —绝热材料绝热材料热流传感器冷却水套底部 —WWW — 加热器绝热材料2. 箔加热器法这种方法是利用很薄的金属箔制成面热源来代替前两种方法中的热板。

由于热源很薄（0.05mm或更薄）并且经常是用导热系数较小的金属箔如康铜箔或卡玛箔等制成，使侧向的热流尽量减少，以至可以忽略。

这种设备结构简单，不需要保护圈加热器及相应的电源和控制装置。

由法国Captec公司制造箔加热器如下图所示：加热器的边长A、B与热流传感器的长宽相等。

由于箔加热器的容量很小，达到稳定的时间可以大大减少，操作也较简单。

这种方法的计算和双试样导热仪一样，也可以达到一定的准确度。

若在加热箔底部再加上一个温差控制装置及加热器，也可以构成与单试样保护圈式导热仪相似的标定装置。

3. 日本昭和式标定装置以日本昭和电工株式会社（热流计型号HFM‐101和HFM‐115。

现为日本KYOTO‐KEM公司，热流计型号HFM‐201和HFM‐215）为代表的一种标定装置如下图所示。

这种装置采用了与单试样的保护热板类似的热板，但没有冷板。

将传感器的一面贴在板面上，另一面直接暴露在室内空气中，调整方法和计算方法和上面提到过的保护热板法一样。

使用这种装置标定容易受到外界条件变化的影响，并且在标定时热板发出的热流由于传感器的存在而引起扭曲。

于是用这种方法标定的结果与上述几种方法的标定结果有一定的差别。

说明：经过实测，按照保护热板法（GB 10294‐88）对TR2型传感器标定的结果与原出厂标定结果相差近5%～10%。

因此按照此方法标定的热流传感器在使用之前，必须按照其它国际认可的方法重新标定，以获得正确的传感器系数。

(四) 比较法校准用比较法标定热流传感器也与用比较法测定绝热材料的导热系数相类似。

如下图所示：把待标定的热流传感器与经绝对法标定的作为标准的热流传感器以及绝热材料做成的缓冲块一起，放在表面温度保持稳定均匀的热板和冷板之间。

热板和冷板可以用电加热或恒温水通过“迷宫”式水槽板的形式控温。

利用标准热流传感器的系数C 。

和输出电势E 。

就可以算出热流密度q ，于是也就能确定热流传感器的系数。

EE C E q C 00== （4）式中：C ——被标定热流传感器的系数C 0——标准热流传感器的系数 q ——热流密度E ——被标定热流传感器的输出电势 E 0 ——标准热流传感器的输出电势这种方法标定的准确度主要取决于标准热流传感器系数的准确度，此外还要受到设备中热板和冷板的温度控制精度的影响以及边缘热损失的影响，标定误差可以达到5%左右。

为了减少边缘热损失的影响和加快标定的速度，可对比较法作一些改进，如下图所示：使用了两个标准热流传感器，取上下两个标准传感器所测出的热流密度的平均值作为通过中间被标定的热流传感器的热流密度，这样被标传感器的系数可以由下式给出：EE C E C C 22211+=（5）与测量导热系数的方法一样，比较法也可采用标准试样，用标准试样导热系数、厚度和温差推算出热流密度值。

此种方法已列入ISO 国际标准草案中。

其准确度由标准试样的准确度及测试条件决定，可以达到较高的准确度。

这种方法需要准确度高并且性能稳定的标准试样，由于这种标准试样的制作和标定比较麻烦，因此目前使用尚有一定的困难。

绝热材料热板 标准热流传感器 热流传感器 绝热材料 热板标准热流传感器1 热流传感器 冷板 标准热流传感器2(一)标准热流传感器法标准热流传感器法就是使用标准热流传感器来确定入射的基准热流。

将标准热流传感器与被校的辐射热流传感器同时置于稳定的辐射源下，进行比较。

通过标准热流传感器测出热流值，被校热流传感器给出同一热流的输出。

随着辐射源的调控改变改变辐射热流值，标准热流传感器和被校热流传感器将获得一系列的对应输出。

对于辐射源，要求能够覆盖设计要求的热流范围，能辐射出预置的热流值并且辐射出的热流值能达到其稳定性的技术指标。

我国没有辐射热流传感器的国家标准，仅有企业标准《辐射热流传感器检定方法》，标准号“Q/Dj 028‐1996”，在航天部内部使用。

(二) 黑体炉法使用黑体炉作为标准热源标定辐射热流传感器也是一种常用的方法，通常用于标定总热流传感器。

如果使用时，正好测量总热流，则因为与校准时情况完全一致，校准所获得的数据都可以在使用中直接应用，不必加以修正。

如果是表面装有单晶硅片的纯辐射热流传感器，那么在使用中需要考虑其透过率大小的影响。

下面是美国NIST 热流传感器校准报告中的有关部分内容，从中我们看出：热流传感器的校准就是确定输出信号线性的平均斜率：在表1中三个传感器的输出信号拟合直线的平均斜率Slope 分别为：3.084、2.985和2.924，即为这三个传感器的灵敏度系数参考文章：1. 计量培训教材第2卷：《热学计量》，原子能出版社，2002年9月。

2. 中国科学技术大学教材《量热技术和热物性测定》，中国科学技术大学出版社，2009年6月，第2版。

3. “NIST MEASUREMENT SERVICES: Heat-Flux Sensor Calibration”，NIST Special Publication 250-65，May 2004。