熱阻式熱流傳感器校準(zhǔn)用熱板設(shè)計與仿真

孫富韜 王闊傳 韓 琪 魏 敏 盧 超 劉丹寧

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076；2.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076；3.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

1 概 述

熱阻式熱流傳感器作為一種檢測熱流的元件，具有易彎曲、體積小、靈敏度大、重量輕、可長時間使用等優(yōu)點，在測量小熱流方面，尤其是熱傳導(dǎo)式熱流，具有極大的優(yōu)勢。熱阻式熱流傳感器在出廠前或使用一段時間以后都要進(jìn)行校準(zhǔn)。保護(hù)熱板法是國際上通用的校準(zhǔn)熱阻式熱流傳感器的方法之一。

北京航天計量測試技術(shù)研究所針對熱阻式熱流傳感器建立了一套基于保護(hù)熱板法的校準(zhǔn)裝置。保護(hù)熱板裝置的設(shè)計核心在于熱板的設(shè)計，保證熱板產(chǎn)生的熱流均勻的穿過被校傳感器后完全作用于冷板上。本文根據(jù)國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對保護(hù)熱板裝置提出的要求，并在參考國內(nèi)外相關(guān)裝置結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，著重對裝置的熱板設(shè)計部分進(jìn)行介紹。

2 保護(hù)熱板法基本原理

保護(hù)熱板法是基于無限大平板的單向穩(wěn)定傳熱原理，裝置可產(chǎn)生一個一維的均勻熱流，其熱流和溫度均可調(diào)節(jié)。校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 保護(hù)熱板法校準(zhǔn)熱流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

保護(hù)熱板法校準(zhǔn)裝置主要由主熱板、保護(hù)熱板、底部保護(hù)熱板、冷板、絕熱材料構(gòu)成。其工作原理為：工作時，將被校熱流傳感器放在主熱板一側(cè)，主熱板由導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料制成，通過主加熱器進(jìn)行加熱。冷板由恒溫水控制溫度。主熱板兩側(cè)外加兩個保護(hù)熱板，底部外加一個保護(hù)熱板，均通過保護(hù)加熱器進(jìn)行加熱。根據(jù)不同的校準(zhǔn)要求確定主加熱器的加熱功率，并同時調(diào)節(jié)保護(hù)加熱器功率，使保護(hù)熱板的溫度

t

3、

t

4、

t

5和主熱板的溫度

t

1一致。此時主熱板的熱量不能向底部及周圍流失，唯一可以傳遞的方向是通過熱流傳感器向冷板傳遞，從而在熱板和冷板之間形成一個穩(wěn)定的一維熱流場。主熱板所發(fā)出的熱流均勻垂直地通過熱流傳感器，熱流密度可以計算得到：

(1)

式中：

q

——熱流密度,W/m；

A

—中心熱板的面積，m；

U

—中心熱板加熱器電壓，V；

I

—通過加熱器的電流，A。

工作時，根據(jù)被校熱流傳感器的量程，對主加熱器采用穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電。供電后，主熱板溫度不斷升高。此時，由于保護(hù)加熱沒有供電，其與主熱板有溫差，這個溫差信號被送入溫度跟蹤控制器，控制器根據(jù)溫差大小調(diào)節(jié)保護(hù)加熱器的供電電壓大小，使保護(hù)熱板的溫度隨主熱板一起升高。溫度跟蹤調(diào)節(jié)控制器中裝有PID調(diào)節(jié)器，使其溫度跟蹤可靠、平穩(wěn)。最終，主熱板和保護(hù)熱板的溫度相等而不隨時間變化，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。此時，由穩(wěn)壓電源供給主熱板的電能轉(zhuǎn)化為熱能后，可以完全而且是垂直均勻的流出熱板面，通過熱流傳感器流到冷板，于是在熱板和冷板之間建立了一個一維的穩(wěn)定熱流場。

保護(hù)熱板法校準(zhǔn)的優(yōu)點是校準(zhǔn)準(zhǔn)確度高，經(jīng)過絕對法校準(zhǔn)的熱流計可以作為標(biāo)準(zhǔn)熱流計去校準(zhǔn)其他熱流計。

3 熱板方案選擇

3.1 電熱云母加熱平板

電熱膜是近年來新興的一種電熱元件，它是吸取了PTC正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料和導(dǎo)電涂料兩種電熱元件的特點制造而成的，按其固化成膜的方式又可分為兩種：高溫固化成膜的，通常稱為電熱膜；常溫固化成膜的，稱為電熱涂料。

電熱膜的常見結(jié)構(gòu)是在絕緣材料表面經(jīng)過一定的工藝加工后，在絕緣材料表面形成一層導(dǎo)電薄膜。導(dǎo)電粒子在絕緣層的表面形成網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)，薄膜中加入的助劑可以調(diào)節(jié)電熱膜功率。通電后，這層薄膜就可以實現(xiàn)電和熱量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上。

熱膜與傳統(tǒng)電熱元件相比，有以下幾個獨特的優(yōu)點：自限溫特性，溫度均勻；熱慣性小，便于控溫；面狀發(fā)熱，熱效率高，節(jié)能省電；溫度低，使用壽命長。

在實際的測試中發(fā)現(xiàn)，因為加工精度等因素，造成電熱膜云母加熱板在50℃下溫度均勻性約為±0.5℃，不能滿足本項目使用需求。

3.2 聚酰亞胺金屬薄膜電熱元件

聚酰亞胺金屬薄膜電熱元件也是電熱膜的一種，是將厚度為(0.02～0.1)mm的鎳鉻箔采用蝕刻的方式加工成一定的形狀，然后以聚酰亞胺為絕緣材料包覆在金屬薄膜的表面。聚酰亞胺金屬薄膜電熱元件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。與傳統(tǒng)的電加熱元件比較，金屬電熱膜具有以下的優(yōu)點：

圖2 聚酰亞胺金屬薄膜電熱元件結(jié)構(gòu)示意圖

a)所占空間極小；重量極輕；厚度極薄(一般小于0.1mm)；

b)極其柔軟，其最小彎曲半徑僅為0.8mm左右；

c)形狀靈活，尤其適合于制作各種面積的柔性電熱膜元件；

d)熱慣量小，溫度控制精度高，速度快。

但目前該材料長期工作最高溫度只能維持在180℃以內(nèi)，不能滿足本裝置需求。

3.3 一體化離心澆鑄式加熱平板

在本方案中，加熱平板的電熱元件為彎曲成型的電熱管，電熱管的基本結(jié)構(gòu)為把電熱絲裝入金屬管中，填入經(jīng)防潮處理的氧化鎂一類高絕緣高導(dǎo)熱的填料，留出接線端后封口處理，這種電熱元件是電熱絲發(fā)熱元件的改進(jìn)，使用壽命較長，安全性能較好。

選擇的一體化離心澆鑄式鋁材料加熱平板是一種高效熱分部均勻的加熱器，熱導(dǎo)性良好的鋁合金，確保熱面溫度均勻，消除了設(shè)備的熱點及冷點。主要優(yōu)點有：

a)作為發(fā)熱體的電熱元件被鑄造在金屬體中，金屬導(dǎo)熱性能比空氣好，板面面積比電熱管面積大得多，這樣使熱交換面積大增加，電負(fù)荷顯著降低，從而發(fā)熱面溫度降低；

b)由于管狀電加熱器被鑄造在金屬體中，其機械強度高，發(fā)熱體不怕氧化，使用壽命極長，在正常的設(shè)計、制造和使用條件下，它的使用壽命長；

c)鑄造式輻射電熱板外形結(jié)構(gòu)簡單，在日常生產(chǎn)中易于清潔維護(hù)；電熱元件的安裝排列都十分方便。

因此，在本項目中采用澆注的方式設(shè)計加熱板。

4 熱板溫度場仿真

對加熱平板溫度場進(jìn)行仿真。由于加熱板整體為對稱結(jié)構(gòu)，因此只對其半邊模型進(jìn)行仿真。選取加熱板工作范圍上下限溫度點50℃、300℃。邊界條件設(shè)置為加熱板四周受自然對流和輻射換熱影響，隔熱槽中只受輻射換熱影響。根據(jù)環(huán)境條件及材料屬性，對流系數(shù)為5W/(mm·K)，環(huán)境溫度為25℃，發(fā)射率為0.2。

基于ANSYS WORKBENCH平臺進(jìn)行仿真計算分析，同時利用Origin對均熱板表面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，可直觀的看出熱板表面溫度分布。

圖3 熱板布局結(jié)構(gòu)圖

分析可知熱板達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，熱板中心加熱板上表面溫度分布均勻，證明熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足校準(zhǔn)需求。

圖4 50℃ ANSYS WORKBENCH仿真結(jié)果

圖5 50℃ Origin均熱板溫度分布

圖6 300℃ ANSYS WORKBENCH 仿真結(jié)果

圖7 300℃ Origin均熱板溫度分布

5 結(jié)束語

保護(hù)熱板法作為一種絕對法用來校準(zhǔn)熱阻式熱流傳感器被廣泛使用，該裝置設(shè)計的核心在于熱板的設(shè)計，使主熱板產(chǎn)生的熱流均勻的穿過被校傳感器后完全作用于冷板上，滿足一維穩(wěn)定熱流的條件。本裝置通過對比不同的熱板設(shè)計方案，最終確定采用一體式澆注的方式進(jìn)行熱板設(shè)計，通過有限元軟件對熱板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明熱板結(jié)構(gòu)可滿足校準(zhǔn)裝置對溫度均勻度的要求。