銅塞式熱流傳感器測量精度影響因素的分析研究

張奇 王新華

摘要：銅塞式熱流傳感器在諸多領域已經得到廣泛應用，本文以銅塞式熱流傳感器測量原理為基礎，研究了本體材料熱物性、本體軸向長度等因素對熱流測量結果的影響，為后續改進傳感器結構提供理論指導。

Abstract： Copper plug-type heat flux sensor has been applied in widespread fields. Based on the measurement principle of the copper plug heat flux sensor， this paper has researched the thermophysical properties of main body， axial length of main body， etc. And paper also provided theoretical direction for future structure improvement.

關鍵詞：銅塞式;熱流傳感器;測量

Key words： copper plug-type;heat flux sensor;measurement

中圖分類號：TK31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0025-03

0? 引言

隨著航天航空、船舶、兵器等行業領域的不斷發展，有很多關鍵的參數測量精度要求日益提高。其中，因高速氣動加熱、高溫應用環境等因素造成設備表面局部溫度急劇升高，對超高溫、寬量程的熱流測量需求日益凸顯[1]。銅塞式熱流傳感器作為應用場景較廣的熱流測量設備，具有測量范圍廣、結構簡單、成本較低、使用便捷等特點[2]。

本文針對銅塞式熱流傳感器在熱流測量過程中多個影響測量精度的因素進行仿真計算和分析研究，為后續銅塞式熱流傳感器結構提升改進提供理論和試驗依據。

1? 銅塞式熱流傳感器測量原理

銅塞式熱流傳感器是非接觸式、瞬態輻射熱流測量儀器，該傳感器主要由傳感器本體銅制塞塊、隔熱套及基體三部分組成，常用于電弧加熱設備試驗的熱流測量。環形隔熱套用阻隔塞塊與基體之間的導熱，使得塞塊側表面近似保持為絕熱壁面。熱電偶布置于傳感器體下端面中心位置處，用于測量傳感器在瞬態熱交換過程中的溫度變化率。

其中：q為熱流，單位W/m2;ρ為密度，單位為kg/m3;Cp為比熱容，單位為W/（kg·K）;δ為塞塊高度，單位為m;T為溫度，單位為K;t 為時間，單位為s。

由公式（1）分析可知，影響熱流測量精度的主要因素包括塞塊材料的密度、比熱、軸向長度及溫度的測量誤差。溫度的測量誤差主要取決于所選用熱電偶的測量精度和焊接工藝。密度和比熱引起的測量誤差與所用的物性參數相關。

傳感器本體材料銅上端面接受熱流輻射后，溫度急劇升高，當達到銅的熔點開始融化后，傳感器熱流傳遞不符合公式（1）的測量原理，繼續使用公式（1）計算測量結果將帶來巨大誤差。

2?; 測量精度影響因素仿真分析

圖2為銅塞式熱流傳感器模型幾何尺寸的示意圖。根據實際工程應用傳感器材料與尺寸，確定仿真中下列幾何尺寸均保持不變：基體直徑a=100mm，基體材料軸向長度b=20mm，傳感器下端面與空氣接觸面直徑e=2mm。傳感器本體材料為銅，隔熱套材料為高硅氧。

通過ANSYS熱力學仿真軟件，分析研究傳感器本體材料物性變化 （仿真組號A）、本體軸向長度變化（c=6mm、10mm，仿真組號B） 、基體材料變化（銅、高硅氧、不銹鋼，仿真組號 C） 、隔熱套厚度變化 （f=1mm、2mm，仿真組號D）、本體直徑變化（d=3mm、4mm、9mm，仿真組號E）對傳感器本體下端面中心點溫度及其溫度變化率的影響，如表1所示。

2.1 本體材料物性的影響

給定傳感器上端面恒定熱流q=3MW/m2，基體材料選取低碳鋼，本體材料銅選取定物性和變物性條件時傳感器A1、A2工況本體下端面中心點溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。考慮物性變化時，隨著溫度的升高，銅的比熱隨之增加，導熱系數隨之減小，熱擴散系數也隨之減小。因此，傳感器A2本體下端面中心點溫度在考慮變物性條件時較傳感器A1低。分析傳感器（A1、A2）本體下端面中心點溫度變化率隨時間的變化情況，由圖2可知，相對而言傳感器 A1本體下端面中心點溫度變化率大于傳感器A2。由仿真結果可知，傳感器 A1和 A2工況本體下端面中心點溫度變化率最大值分別為139℃/s和126℃/s，是否考慮本體材料變物性條件造成相對偏差率達到9.3%。

因此，本體、基體材料物性變化對傳感器本體下端面中心點溫度變化率最大值有所影響，且影響不可忽略不計，同時，考慮物性變化時溫度變化率最大值更接近理論計算值。

2.2 本體軸向長度的影響

給定傳感器上端面恒定熱流q=3MW/m2，基體材料選取低碳鋼，傳感器本體軸向長度選擇為6mm和10mm，圖4為傳感器本體軸向長度不同（c=6mm、10mm）時傳感器本體下端面中心點溫度隨時間的變化曲線。由圖4可知，隨著傳感器本體軸向長度的增加，傳感器本體、隔熱套軸向尺寸增大，下端面中心點的溫度隨之降低，其原因在于傳感器本體的熱阻、熱容均隨之增加，熱容量也隨之增大，傳感器本體、隔熱套的側表面溫度減小。熱流傳感器本體軸向長度為6mm、10mm時，溫度變化率最大值分別為110.6℃/s和69.6℃/s，綜合考慮軸向長度變化因素后，改變本體軸向長度造成的相對偏差率達到4.9%，因此實際工程測量中應針對不同本體軸向長度進行熱流測量誤差修正。

2.3 基體材料物性的影響

為基體材料變化時銅塞式熱流傳感器本體下端面中心點溫度隨時間的變化曲線。可以發現，傳感器C1（基體材料低碳鋼）和傳感器C3（基體材料銅）本體下端面中心點溫度變化曲線較為接近，在t=7.2s時傳感器C1與傳感器C3下端面溫度相差4.16℃，溫度變化率最大值分別為69.6℃/s和68.6℃/s;傳感器C2（基體材料高硅氧）本體下端面中心點的溫度變化曲線與傳感器C1、C3差別相對較大，最大溫差高達36.61℃。

在實際工程應用中，銅塞式熱流傳感器測量工作時間不超過3s，綜合考慮不同基體材料在t=3s時的溫度變化率，相對最大偏差不超過1℃/s，因此可以近似認為改變基體材料對傳感器本體下端面中心點溫度變化率最大值基本無影響。

2.4 隔熱套厚度的影響

圖6為隔熱套厚度變化時傳感器本體下端面中心點溫度隨時間的變化曲線。由圖6可知，隨著隔熱套厚度增加為f=2mm，傳感器本體下端面中心點的溫度高于傳感器 D1（f=1mm）。隔熱套為2mm厚時，最大溫度變化率為87℃/s，由公式得到測量熱流密度為2.992MW;當隔熱套厚度選擇為1mm時，最大溫度變化率為69.6℃/s，對應熱流密度為2.394MW。由此可得：隔熱套厚度變化對傳感器本體下端面中心點溫度變化率最大值有所影響，隔熱套厚度增大時該值更接近理論值。

2.5 本體直徑的影響

圖7為傳感器本體直徑變化時傳感器本體下端面中心點溫度隨時間的變化曲線。由圖7可知，隨著傳感器本體直徑的增加，本體下端面中心點溫度變化曲線幾乎不受影響。本體直徑為3mm、4mm、9mm時，最大溫度變化率對應110.6℃/s、111.0℃/s、114.4℃/s。增加傳感器本體直徑，熱流沿徑向傳遞時熱阻增加，沿徑向熱量耗散減少，導致下端面中心點最大溫度變化率增大。當傳感器本體直徑在3～9mm變化時，最大溫度變化率偏差不超過3.3%，可以認為改變傳感器本體直徑對熱流測量準確度幾乎沒有影響。

3? 結論

本文通過對銅塞式熱流傳感器數值仿真建模，選取以傳感器本體下端面中心點的溫度變化率最大值為評價指標，分析了影響測量精度的多個因素，可以得出：考慮本體材料物性變化時仿真結果更接近理論值;增大傳感器軸向尺寸更接近理論值;基體材料材料選取和物性變化對熱流測量結果基本無影響;隔熱套厚度增加時有利于獲得更準確的測量結果;有限范圍增加本體直徑將不會影響熱流測量結果。通過本次仿真分析研究為后續設計、改進銅塞式熱流傳感器結構提供了理論依據。

參考文獻：

[1]李文峰，孟祥軍，張曉菲，盧超.小熱流測量技術研究[J].工業工程設計，2020（7）.

[2]張曉菲，王文革.塞式熱流傳感器影響因素的分析計算[J].宇航計測技術，2012，32（2）：22-26.

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[4]廖亞非，張青文，何容盛.熱流計的發展、國際領先技術與改進方向研究[J].土木建筑與環境工程，2005，27（002）：84-87.

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