单侧热绝缘热流计校准装置的研制.pdf

引用格式：引用格式：王海涛,文萌,董亮,等.单侧热绝缘热流计校准装置的研制J.中国测试，2024,50(3):131-136.WANGHaitao,WENMeng,DONGLiang,etal.Studyandestablishmentofasingle-sidethermalinsulationheatflowmetercalibrationdeviceJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):131-136.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2021100096单侧热绝缘热流计校准装置的研制王海涛，文萌，董亮，孙云飞(辽宁省计量科学研究院，辽宁沈阳110004)摘要:热流计是量化热能转移的仪器。为解决非对称平面热流计、热流传感器校准的难题，基于绝对法原理，对保护板法进行改进，建立一种单侧热绝缘的热流计校准装置，由主加热器、绝热层、保护加热器、功率输出系统、温度反馈调节系统和数据采集系统组成，装置可溯源至标准功率计。在 4001000W/m2范围内对装置进行验证，测试结果与传统保护板法热流计校准装置标定结果基本一致。根据测试结果评估电流源偏差、背向和侧向热损失、蓄热损失、测量重复性、面积不一致、装载方式对测量结果的影响。经过实验和分析，该装置的不确定度可以达到 3%以内。关键词:计量;热流计;校准装置;单侧热绝缘中图分类号:TK3;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03013106Study and establishment of a single-side thermal insulation heat flowmeter calibration deviceWANGHaitao,WENMeng,DONGLiang,SUNYunfei(LiaoningInstituteofMetrology,Shenyang110004,China)Abstract:Heatflowmeterisaninstrumentthatquantifiesthetransferofheatenergy.Inordertosolvetheproblemofcalibratingasymmetricplanarheatflowmeterandheatflowsensor,basedontheprincipleofabsolutemethod,theprotectiveheatplatemethodwasimprovedandasingle-sidethermallyinsulatedheatflowmetercalibrationdevicewasestablished,whichwascomposedofmainheater,insulationlayer,protectionheater,poweroutputsystem,temperaturefeedbackadjustmentsystemanddataacquisitionsystemandthedevicecanbetraceabletoastandardpowermeter.Thedevicewasvalidatedintherangeof4001000W/m2,andthetestresultswereingeneralagreementwiththecalibrationresultsoftheconventionalprotectionplatemethodheatflowmetercalibrationdevice.Theeffectsofcurrentsourcedeviation,backwardandlateralheatloss,heatstorageloss,measurementrepeatability,areainconsistencyandreinstallationonthemeasurementresultswereevaluatedbasedonthetestresults.Aftertheexperimentsandanalysis,theuncertaintyofthedevicecanbeachievedwithin3%.Keywords:metrology;heatflowmeter;calibrationdevice;single-sidethermalinsulation收稿日期:2021-10-20；收到修改稿日期:2021-12-17基金项目:辽宁省检验检测认证中心青年人才创新创业项目（SC20190111）作者简介:王海涛（1985-），男，山东德州市人，高级工程师，硕士，主要研究方向为温度及热物性传感器的计量与研究。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,20240 引言热流计是热能转移过程的量化检测仪器1。自从 1924 年2发明以来，广泛应用于建筑保温3、工业热设计4、工业炉窑、节能监察、航空航天器设计5-7、武器设计8-9、核电10、电子器件11-12等多个领域，是一种重要的的能量计量设备。根据热流计的工作原理不同，可以分为传导式热流计、辐射式热流计、辐射-对流式热流计（也称全热流计）等多种不同的形式，传导式热流计是目前应用最广泛的热流计之一。然而由于热流计形式多样，生产企业制造水平及检测标定手段不同，造成了热流计测量精度差别较大，因此热流计校准方法和校准装置的研究对维护量值统一尤为重要。传导式热流计校准方法分为相对法和绝对法。绝对法一般以功率计作为标准，将热流密度溯源至功率和面积。由于功率参数的溯源比较容易且可靠性高，因此绝对法校准装置是目前最为准确的校准装置。PONTEFD13、秦永烈14、居滋培15等学者基于保护热板法进行了热流计绝对法校准研究。美国基于保护热板法制定了热流计校准方法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16。目前中国计量科学研究院也采用绝对法作为热流计的溯源标准17。但是采用绝对法校准时，为了达到热平衡，通常需要采用恒温平板对冷侧和热侧温度进行准确控制，这就要求被测热流计必须为平面结构，导致部分热流计无法校准。相对法以标准热流计作为标准器，通过叠放或者对称布置使得通过标准热流计和被测热流计的热流密度接近，从而计算被测热流计的偏差或系数。为了提高校准准确度，被测热流计和标准热流计材质及形状需要相同或相似，在实际应用中较难满足要求。本研究以绝对法测量原理为基础，构建了一套单侧恒功率加热的传导式热流计校准装置，与传统方法不同是的，只对热面控制功率，冷面处于自由平衡状态，减小了对热流计形状的限制。1 测量原理及装置的构建1.1 测量原理热量传递有三种形式，即传导、对流和辐射。传导式热流计是基于热传导原理设计，测量时，热流计紧紧贴附在被测物体的表面，此时，传导是其主要的热量传递方式，根据傅里叶定律其热量传递过程可以表示成式（1）。q=gradt=(t/n)(1)q式中：热流密度，W/m2；t/n温度梯度，K/m；单位向量；热流计材料导热系数，W/(mK)。dts/dx由于空间传热过程计算极其复杂，且热流计一般厚度较小，因此，通常忽略其他方向的热传递，将热流计的传热过程简化成近似一维导热，温度梯度变为单一方向变量，此时，傅里叶公式可以简化为式（2）：q=dts/dx(2)ts目前应用最广泛的传导式热流计即在热阻板两侧布置热电堆，通过测量热阻板两侧的温度差以及通过已知热阻板的导热系数 和厚度 计算热流。q=ts(3)绝对法测量时，可以将标准溯源至功率，假设加热器产生的全部热量均通过热流计向外散失，其测量过程可以表示成式（4）。即在稳态测量时只需测量加热功率和热流计横截面积即可得到热流密度。q=PA(4)式中：P加热器加热功率，W；A热流计横截面积，m2。1.2 装置的原理与结构装置基于绝对法测量原理，由主加热器、绝热层、保护加热器、功率输出系统、温度反馈调节系统和数据采集系统组成，装置结构如图 1 所示。主加热器材料高导热金属纯铜，外层镀钛防止氧化，内部加热丝采用蛇形均匀分布。纯铜良好的导热性能（导热系数约为 386.4W/(mK)）以及加热丝的均匀分布可以保证加热器表面温度均匀，其截面积与热流计测量面积一致。校准中采用高精度反馈调节的功率输出系统对主加热器施加恒定功率。绝热层为多层不同材质耐高温的绝热材料构成，综合导热系数不大于 0.05W/（mK），分别布置在主加热器与保护加热器之间和保护加热器外侧。保护加热器通过精确的温度反馈调节系统的控制跟随主加热器温度，始终与主加热器保持一致，使加热器背面和侧面热量损失趋于零。为了减小室内空气流动对校准结果的影响，空气通过冷却系统进行恒温后经上侧布风板均匀流向热流计。加热装置外侧有聚四氟乙烯外壳，减小室内空气温度变化以及气流扰动对校准过132中国测试2024年3月程的影响。数据采集系统根据热流及温度变化趋势自动判断是否平衡，同时根据设定频率采集数据进行黎曼积分计算。主加热器被测热流计辅助加热器复合保温层控温传感器布风板(a)主加热器结构图(b)校准装置结构示意图图 1 装置示意图2 关键参数的试验与分析从装置的原理和结构可知，测量结果的准确与否取决于通过热流计的热流 q 及热流传感器的面积 A，由于热流计面积可以精确测量，因此测量准确度主要取决于 q。通过热流传感器的热流 q 可以用式（5）表示。对装置的关键性能及影响准确性的关键参数进行分析。q=q1q2q3(5)q1式中：主加热器的加热功率，W；q2加热器背面和侧向热损失，W；q3主加热器蓄热效应引起的热损失，W。因此要从主加热器功率、背向和侧向热损失、主加热器蓄热效应三个方面测试和分析校准装置可靠性。2.1 标准功率源的准确性标准功率源是功率输出的关键性仪表，其输出的稳定性和准确性对测量结果准确性具有决定性作用，对恒功率源进行稳定性、重复性以及偏差的测试。测量结果见表 1。通过标准功率计对装置的功率输出装置进行60min 测量和数据采集，得到的结果见表 1。q1功率因数是指交流电路有功功率对视在功率的比值，加热器功率因数为 1，即标准功率源的输出功率完全转化为加热器消耗的能量，由于加热元件为电阻丝，可以近似认为加热功率等于标准功率源输出功率。从表 1 可以看出，标准功率源输出功率误差在 0.7%以内，60min 内标准偏差小于 0.01W，因此可以认为引入的误差在 0.7%以内。2.2 加热器背面和侧向热损失在稳定状态中，监测主加热器与辅助加热器表面温度，监测结果如图 2 所示。从图中可以看出，在稳态下，主加热器温度与辅助加热器温度之差稳定在 0.2 以内。主加热器通过背面和侧面流失的热量可以根据式（6）计算。q2=ptplAp(6)p式中：保温材料的导热系数，W/（mK）；tp温差，；l保温材料特征厚度，m；Ap主加热器与保温材料接触面积，m2。q2保温材料的导热系数约为 0.05W/（mK），厚度 0.005m，从测试结果看，稳态下，保护材料两侧温差最大不超过 0.2，加热器与保温材料接触面接约为 0.0065m2，则热损失约为 0.013W，因此侧向热损失为当加热功率为 2W 时，热损失为 0.65%，为当加热功率为 5W 时，热损失为 0.23%，因此可以认为在加热器输出功率 25W 时，引入的误差不超过 0.7%。2.3 蓄热效应引起的热损失分析在测试过程中，主加热器的温度随时间改变，而加热器温度升高或降低过程中，也会吸收或释放热量，采样过程中，监测主加热器温度得到图 2 的结果，从图中可以看出，稳定过程中主加热器温度变化最大为 0.2，则蓄热量按照式（7）计算q3=Cmm(7)Cm式中：主加热器的比热容，J/（kgK）；m主加热器的质量，kg；表 1 标准功率源性测试结果输出功率/W测量平均值/W标准偏差误差/%功率因数21.99350.0036680.3132.98510.0040300.5143.97220.0057670.7154.97540.0062940.51第50卷第3期王海涛，等：单侧热绝缘热流计校准装置的研制133单位时间内温度变化，K/s；数据采集期间 1h 内，加热器最大温度变化不超过 0.2，蓄热效应引起的热损失为 0.01W，总输出功率为 25W，热损失量不超过 0.5%。综上所述，三种热量损失引起的测量偏差之和不超过 2%，因此可以认为校准装置可以达到预期的效果，测量结果可靠。3 校准结果与分析以一支 KEM 生产的 KR2 型低通量热流传感器作为被测传感器，该传感器采用橡胶作为基体材料，采用热电堆测量冷侧和热侧温差，从而计算热流量，热流计的量程为 123500W/m2，工作温度范围为40150，热流计测量面尺寸为 100mm50mm。测量时采用专用胶将热流计粘贴在主加热器上。该热流传感器在保护板法热流计校准装置上多次标定结果与出厂标定结果差值不超过 1%。试验时分别在 400、600、800、1000W/m2处进行测试，以 1h 内的平均值作为单次测量的结果，每个测量点重复测量 4 次，测量两次后对被测传感器进行重新装载。3.1 校准结果单次的校准结果见图 3，从图中可以看出，与传统的保护热板法校准装置相比，由于热流计其中一侧暴露于空气中，受气流扰动、气流温度变化等因素影响，瞬时采样值在均值附近呈现较大幅度波动，整个测量过程，波动可以控制在 10%以内，变化趋势随时间变化并无明显改变。但是若测量时间足够长，采样量足够大，瞬时波动对最终测量结果的影响不大。从表 2 中可以看出，多次测量得到的测量结果接近，最大差值不超过 3.2%，而且重新装载对测试结果无明显影响，说明整套装置的测量重复性较好。3.2 校准结果重复性在 1000W/m2的测试点分别进行 5 次装载，10 次重复性测试，测得的结果如图 4 所示。从图中可以看出 10 次测量得到的最大值为 1014.1W/m2，60.160.059.959.859.7温度/59.659.559.459.30102030时间/min时间/min时间/min时间/min(a)加热功率 2 W(b)加热功率 3 W40506077.277.177.076.976.8温度/76.776.676.576.4010203040506095.895.795.695.595.4温度/95.395.295.195.00102030405060(c)加热功率 4 W(d)加热功率 5 W90.089.989.889.789.6温度/89.589.489.389.20102030405060图 2 主加热器表面温度测试结果134中国测试2024年3月最小为 982.3W/m2，极差为 3.2%，标准差为 1.04%，单次测量结果与平均值的偏差不超过 2%。多次测量实验结果均在平均值附近波动，并未随着装载次数或测量次数的变化而发生明显规律性变化。多次测量平均值为 995.6W/m2与 KEM 公司的标定结果差值小于 0.5%，说明测量结果数据可信。3.3 不确定度分析装置不确定度包括标准功率源偏差,热流计面积,侧面和背面热损失,蓄热损失,测量重复性等。其中热流计面积与主加热器面积不一致引起的偏差可以近似用面积比来表征，通过游标卡尺对多个被测热流计和主加热器分别测量，得到最大偏差AA=0.01其他影响因素已在前面进行估算，装置不确定度统计结果见表 3。4 结束语本文研制的单侧热绝缘热流计校准装置能够对非对称平面的热流计、热流传感器进行校准，不确420410400390380热流/(Wm2)3703600102030时间/min时间/min时间/min时间/min(a)标准热流 400 W/m2405060820810800790780热流/(Wm2)7707600102030(c)标准热流 800 W/m2405060630620610600590热流/(Wm2)5805700102030(b)标准热流 600 W/m24050601 1001 0801 0601 0401 0001 020热流/(Wm2)9609809209400102030(d)标准热流 1 000 W/m2405060图 3 热流传感器监测数据表 2 热流传感器测试结果标准功率/W热流/(Wm2)测量结果/(Wm2)标准偏差平均值/(W/m2）极差第1次 第2次 第3次 第4次2400396.8 393.1400.0 400.3 0.8%397.61.8%3600595.4 588.6589.8 592.0 0.5%591.41.1%4800788.7 786.2786.4 792.0 0.3%788.30.7%51000985.8 1014.1 991.3 982.3 1.4%993.43.2%1 0151 0101 0051 0009959909859800246次数810测量值/(Wm2)测量值总数 N均值标准差 最小值 中位数 最大值10995.6110.425 76982.39951 014.1图 4 热流传感器在 1000 W/m2处重复性测量结果第50卷第3期王海涛，等：单侧热绝缘热流计校准装置的研制135定优于 3%。校准结果与保护板法测得的数据差值在 0.5%以内，不确定度水平略低于文献 17 中薄膜式热流计校准装置的 1%，由于重新装载对本装置校准结果的影响更小，因此两种装置单次测量结果与多次测量平均值最大差值均为 2%左右。本装置较传统的保护板法热流校准装置，对被测传感器的限制更少，而且更易安装，量程更宽。能够解决多种传统保护热板法无法校准的热流计和热流传感器。参考文献 廖亚非,张青文,何容盛.热流计的发展、国际领先技术与改进方向研究 J.重庆建筑大学学报,2005(2):84-87.LIAO Y F,ZHANG Q W,HE R S.Research on thedevelopment,internationalleadingtechnologyandimprovement direction of heat flow meters J.Journal ofChongqingJianzhuUniversity,2005(2):84-87.1胡芃,陈则韶.量热技术和热物性测定 M.合肥:中国科学技术大学出版社.2009:31-32.HUP,CHENZS.CalorimetryandthermophysicalpropertydeterminationM.Hefei:PressofUniversityofScienceandTechnologyofChina,2009:31-322EVANGELISTIL,GUATTARIC,ASDRUBALIF.Comparison between heat-flow meter and Air-SurfaceTemperature Ratio techniques for assembled panels thermalcharacterizationJ.EnergyandBuildings,2019,203:109441.3李禹江,童涛,宫金林,等.发电机出线裸导体电磁-热防护研究 J.中国测试,2019,45(5):60-65.LI Y J,TONG T,GONG J L,et al.Research onelectromagnetic thermal protection of bare conductors forgenerator outgoing lines J.China Measurement Test,2019,45(5):60-65.4刘岩,张伟.基于热真空环境模拟试验技术的信号电缆热防护方案研究 J.电子测量技术,2019,42(9):69-73.LIUY,ZHANGW.Researchonthermalprotectionschemefor signal cables based on thermal vacuum environmentsimulation testing technology J.Electronic MeasurementTechnology,2019,42(9):69-73.5王青,江剑.热流密度测试系统的设计与开发 J.国外电子测量技术,2019,38(6):68-71.WANGQ,JIANGJ.Designanddevelopmentofaheatfluxdensity testing system J.Foreign Electronic MeasurementTechnology,2019,38(6):68-71.6PICCINIE,GUOSM,JONESTV.Thedevelopmentofanew direct-heat-flux gauge for heat-transfer facilitiesJ.7MeasurementScience&Technology,2000,11(4):342-349.张俊锋,苏健军,姬建荣,等.热容式热流密度传感器的研制及应用 J.中国测试,2018,44(10):125-129.ZHANGJF,SUJJ,JIJR,etal.Developmentandapplicationof heat capacity heat flow density sensor J.ChinaMeasurementTest,2018,44(10):125-129.8于向阳,姚凌虹,赵时,等.基于红外特征的飞机导线绝缘层隐性故障在线诊断方法 J.电子测量与仪器学报,2019,33(10):157-164.YU X Y,YAO L H,ZHAO S,et al.An online diagnosismethodforhiddenfaultsinaircraftwireinsulationlayerbasedon infrared features J.Journal of Electronic MeasurementandInstrumentation,2019,33(10):157-164.9FRANCESCO,PAOLO,DALEO,etal.Design,calibrationand testing of a thin film temperature gauge array fortemperature and heat flux measurements in fluid mixingexperimentsJ.Flow Measurement and Instrumentation,2012,24(1):29-35.10周静雷,张倩云,李腾飞.用于寿命试验仪的扬声器热传递参数测量方法 J.国外电子测量技术,2019,38(5):;1-5.ZHOUJL,ZHANGQY,LITF.Measurementmethodforthermal transfer parameters of speakers used in life testinginstrumentsJ.ForeignElectronicMeasurementTechnology,2019,38(5):1-5.11王玉刚,轩诗瑶,赵晓东,等.液冷散热器性能测试系统的研制 J.中国测试,2020,46(4):97-101,142.WANGYG,XUANSY,ZHAOXD,etal.Developmentofaperformance testing system for liquid cooled radiatorsJ.ChinaMeasurementTest,2020,46(4):97-101,142.12PONTE F D,MACCATO W.The calibration of heat flowmetersJ.Astm Special Technical Publication,1980:237-254.13秦永烈,王耿,赵学端.热流计标定装置热损误差的计算与分析 J.上海机械学院学报,1987(4):33-38.QINYL,WANGG,ZHAOXD.Calculationandanalysisofheat loss error in heat flow meter calibration deviceJ.JournalofShanghaiInstituteofMechanicalEngineering,1987(4):33-38.14居滋培.热流传感器特性和标定方法分析 J.传感技术学报,1998(2):32-36.JUZP.Analysisofcharacteristicsandcalibrationmethodsofheat flow sensors J.Journal of Transduction Technology,1998(2):32-36.15ASTMC177StandardTestMethodforSteady-StateHeatFluxMeasurementsandThermalTransmissionPropertiesbyMeansoftheGuarded-Hot-PlateApparatusS.ASTM,2019.16杨家健,原遵东,韩蕊,等.热流计校准装置测量控制系统的建立 J.电子测量与仪器学报,2011,25(7):620-625.YANGJJ,YUANZD,HANR,etal.Theestablishmentofameasurement control system for the calibration device of aheatflowmeterJ.JournalofElectronicMeasurementandInstrument,2011,25(7):620-625.17(编辑:刘杨)表 3 测试结果不确定度评定表%不确定度来源标准功率源面积侧面和背面热损失蓄热损失重复性分布形式均匀均匀正态正态正态标准不确定度0.40.60.30.21合成不确定度3（k=2）136中国测试2024年3月