專利名稱：一種相變儲熱式熱流傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于熱流、溫度測量領域，具體涉及一種相變儲熱式熱流傳感器。
背景技術：
隨著科學技術的不斷發展，能源問題的日益突出，節能降耗工作的不斷開展，熱流檢測的理論和技術越來越受到重視，熱流傳感器得到了廣泛應用。經典的熱流傳感器原理結構如圖1所示，采用該原理結構的熱流傳感器又稱GARDON計(戈登計)。其測量原理:作為敏感元件的康銅圓箔，其表面上涂黑以利于吸收熱通量。圓柱形傳感器內部銅熱沉與康銅圓箔構成T型(銅-康銅)熱電偶，康銅圓箔與其中心的銅引線構成另一對T型(銅-康銅)熱電偶，上述兩對熱電偶構成差分T型熱電偶。入射的熱流被康銅圓箔吸收后，沿圓箔徑向銅熱沉傳導熱量。康銅圓箔因其薄而導熱快，銅熱沉因其尺寸厚而導熱慢，從而在康銅圓箔中心與銅熱沉之間建立起與入射熱流成正比的溫差，此時差分T型熱電偶信號與熱通量成正比。傳感器的熱流值可通過式(I)計算。q=KXV(I)式中:q為測量熱流；K為靈敏度，K值可通過校準試驗得到；V為差分T型熱電偶信號。熱流傳感器在測量時，其測量端面不斷吸收熱量，在無法采用水冷、風冷等冷卻手段時，需采用自身儲熱的方式工作，一般采用高熔點金屬塊進行儲熱，其工作時間較短；傳統熱流傳感器的敏感元件采用T型差分熱電偶，其溫度上限僅為350°C，測量端面耐高溫能力差；傳統熱流傳感器無法對測量端頭部分的溫度進行監測，在使用時，經常出現測量端頭部分熔化、燒毀等情況。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種相變儲熱式熱流傳感器，該傳感器顯著延長了工作時間，大大提高了測量端面的耐高溫能力，且避免了測量端頭部分熔化、燒毀等情況的發生。本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:一種相變儲熱式熱流傳感器，包括康銅圓箔片、鎳鉻絲、熱電偶、上蓋、殼體、相變儲熱體、四孔陶瓷管、下蓋和后蓋，其中四孔陶瓷管和上蓋固定連接，熱電偶絲穿過四孔陶瓷管的其中兩個孔，兩根鎳鉻絲穿過四孔陶瓷管的剩余兩個孔，其中一根鎳鉻絲與康銅圓箔片的中心焊接，另一根鎳鉻絲與康銅圓箔片、上蓋均焊接，上蓋與殼體連接固定，相變儲熱體置于殼體中，下蓋與殼體連接固定，穿過四孔陶瓷管的鎳鉻絲通過電纜焊接引出，穿過四孔陶瓷管的熱電偶通過補償導線引出，后蓋與下蓋連接固定，且后蓋的空腔填充高溫膠。在上述相變儲熱式熱流傳感器中，相變儲熱體在180°C至250°C的溫度范圍內由固態熔化為液態，在相變時儲存大量的熱能。 在上述相變儲熱式熱流傳感器中，相變儲熱體為錫鉛合金。
在上述相變儲熱式熱流傳感器中，相變儲熱體與殼體為螺紋連接，且相變儲熱體與下蓋之間有2mm 3mm間隙。在上述相變儲熱式熱流傳感器中，上蓋與殼體焊接固定，下蓋與殼體焊接固定，后蓋與下蓋采用螺釘固定，四孔陶瓷管和上蓋通過高溫膠粘接固定。在上述相變儲熱式熱流傳感器中，上蓋、殼體和下蓋的材料為不銹鋼或銅。在上述相變儲熱式熱流傳感器中，熱電偶絲為康銅-鎳鉻熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶或銅-康銅熱電偶。在上述相變儲熱式熱流傳感器中，兩根鎳鉻絲與康銅圓箔片構成康銅-鎳鉻熱電偶，以測量敏感端康銅圓箔片的中心與邊緣的溫度差，進一步得到測量端面的熱流值。在上述相變儲熱式熱流傳感器中，傳感器的安裝具有法蘭安裝和螺紋安裝兩種方式。在上述相變儲熱式熱流傳感器中，四孔陶瓷管為四孔氧化鋁瓷管或四孔氮化硼瓷管；康銅圓箔片表面涂黑。本發明與現有技術相比的優點在于:(I)本發明傳感器采用相變儲熱體進行儲熱，能顯著延長傳感器的工作時間，并保證測量端面敏感體工作在允許的溫度范圍內；現有的熱流傳感器在無法采用水冷、風冷等冷卻手段時，需采用自身儲熱的方式工作，一般用高熔點金屬塊進行儲熱，其工作時間較短；本發明采用相變儲熱體進行儲熱，并通過大量試驗對相變儲熱體進行了優選，在工作時儲熱體發生相變，能吸收更多的熱量，因此，其工作時間能顯著延長；(2)本發明傳感器的敏感元件采用了 E型差分熱電偶，大大提高了測量端面的耐高溫能力；傳統熱流傳感器的敏感元件采用T型差分熱電偶，其溫度上限僅為350°C，測量端面耐高溫能力差；本發明E型差分熱電偶溫度上限為900°C，因此，大大提高了測量端面的耐聞溫能力；(3)本發明傳感器在測量端頭部分加入了溫度監測，避免了測量端頭部分熔化、燒毀等情況的發生，提高了傳感器的可靠性；(4)本發明傳感器的上蓋、殼體、下蓋和后蓋的材料優選采用不銹鋼材料，具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點；(5)本發明傳感器同時具有工作時間長、量程大、體積小、無需水冷、風冷、本體溫度監測的特點，可用于飛行器底部燃氣回流的熱流測量，以及各種鍋爐、鋼爐、加熱爐等高溫爐體的熱負荷測量，具有較強的實用性。
圖1為熱流傳感器的原理結構示意圖；圖2為本發明傳感器的原理和接線示意圖；圖3為本發明傳感器的結構示意圖；圖4為本發明傳感器的局部放大圖(圖3的局部放大圖)。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述:
如圖3所示為本發明傳感器的結構示意圖，圖4所示為本發明傳感器的局部放大圖，由圖可知本發明傳感器包括表面涂黑的康銅圓箔片1、鎳鉻絲2、熱電偶3、上蓋4、殼體
5、相變儲熱體6、四孔陶瓷管7、下蓋8、后蓋9和高溫膠10，其中四孔陶瓷管7和上蓋4通過高溫膠10粘接固定，熱電偶絲3穿過四孔陶瓷管7的其中兩個孔，兩根鎳鉻絲2穿過四孔陶瓷管7的剩余兩個孔，其中一根鎳鉻絲2與康銅圓箔片I的中心焊接，另一根鎳鉻絲2與康銅圓箔片1、上蓋4均焊接，上蓋4與殼體5焊接，相變儲熱體6置于殼體5中，下蓋8與殼體5焊接，穿過四孔陶瓷管7的鎳鉻絲2通過電纜焊接引出，穿過四孔陶瓷管7的熱電偶3通過補償導線引出，后蓋9與下蓋8采用螺釘固定，且后蓋9的空腔填充高溫膠10。其中四孔陶瓷管7為四孔氧化鋁瓷管或四孔氮化硼瓷管，上蓋4、殼體5、下蓋8、后蓋9的材料均為不銹鋼或銅。本發明中相變儲熱體6在180°C至250°C的溫度范圍內由固態熔化為液態，在相變時儲存大量的熱能，本實施中相變儲熱體6采用錫鉛合金，相變儲熱體6與殼體5為螺紋連接，且相變儲熱體6與下蓋8之間有2_ 3_間隙，用于消除相變儲熱體6的熱脹冷縮對殼體5的影響。本發明實施例中上蓋4、殼體5、下蓋8、后蓋9的材料均為不銹鋼，具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點。本實施例中高溫膠10為105A型高溫膠。本實施例中四孔陶瓷管7為四孔氧化鋁瓷管。如圖2所示為本發明傳感器的原理和接線示意圖，本發明實施例中作為敏感元件的康銅圓箔，其表面上涂黑以利于吸收熱通量。熱流傳感器的測量敏感端面由康銅圓箔片I和兩根鎳鉻絲2組成，傳感器康銅圓箔I與其中心的鎳鉻絲2引線構成一對E型(鎳鉻-康銅)熱電偶，與康銅圓箔片I邊緣和殼體5焊接的鎳鉻絲2構成另一對E型(鎳鉻-康銅)熱電偶，上述兩對熱電偶構成差分E型熱電偶，用于測量敏感端康銅圓箔片I的中心與邊緣的溫度差，根據該溫度差可得到測量端面的熱流值。入射的熱流被康銅圓箔吸收后，沿圓箔徑向殼體5傳導熱量，康銅圓箔因其薄而導熱快，從而在康銅圓箔中心與其邊沿建立起與入射熱流成正比的溫差，此時差分E型熱電偶信號與熱通量成正比。傳感器的熱流值可通過式(2)計算。q=KXV(2)式中:q為測量熱流；K為靈敏度，K值可通過校準試驗得到；V為差分E型熱電偶信號。如圖2所示，與康銅圓箔片I中心焊接的鎳鉻絲2為熱流信號輸出的正極，與康銅圓箔片I邊緣和殼體5均焊接的鎳鉻絲2為熱流信號輸出的負極。熱電偶3用于監測測量端頭的溫度，可以為E型(即康銅-鎳鉻熱電偶)、K型(即鎳鉻-鎳硅熱電偶)或T型卿銅-康銅熱電偶)，其正負極可參考相關資料確定。本發明熱流傳感器的組裝過程如下: 如圖3、4所示，先用高溫膠10將四孔氧化鋁瓷管7和上蓋4粘接固定，將熱電偶絲3穿過四孔氧化鋁瓷管7的其中兩孔，將兩根鎳鉻絲2穿過四孔氧化鋁瓷管7的剩余兩孔，其中的一根鎳鉻絲2與康銅圓箔片I的中心焊接，另一根鎳鉻絲2和康銅圓箔片1、上蓋4均焊接，上蓋4與殼體5焊接，將相變儲熱體6旋入殼體5，將下蓋8與殼體5焊接，穿過四孔氧化鋁瓷管7的鎳鉻絲2通過電纜焊接引出，穿過四孔氧化鋁瓷管7的熱電偶3通過補償導線引出，將后蓋9與下蓋8用螺釘固定，后蓋9的空腔用高溫膠10填充。以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:包括康銅圓箔片(I)、鎳鉻絲(2)、熱電偶(3)、上蓋(4)、殼體(5)、相變儲熱體(6)、四孔陶瓷管(7)、下蓋(8)和后蓋(9)，其中四孔陶瓷管(7)和上蓋(4)固定連接，熱電偶絲(3)穿過四孔陶瓷管(7)的其中兩個孔，兩根鎳鉻絲(2)穿過四孔陶瓷管(7)的剩余兩個孔，其中一根鎳鉻絲(2)與康銅圓箔片(I)的中心焊接，另一根鎳鉻絲(2)與康銅圓箔片(I)、上蓋(4)均焊接，上蓋(4)與殼體(5)連接固定，相變儲熱體(6)置于殼體(5)中，下蓋(8)與殼體(5)連接固定，穿過四孔陶瓷管(7)的鎳鉻絲(2)通過電纜焊接引出，穿過四孔陶瓷管(7)的熱電偶(3)通過補償導線引出，后蓋(9)與下蓋(8)連接固定，且后蓋(9)的空腔填充高溫膠(10)。
2.根據權利要求1所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述相變儲熱體(6)在180°C至250°C的溫度范圍內由固態熔化為液態，在相變時儲存大量的熱能。
3.根據權利要求2所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述相變儲熱體 (6)為錫鉛合金。
4.根據權利要求1-3任一權利要求所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述相變儲熱體(6)與殼體(5)為螺紋連接，且相變儲熱體(6)與下蓋(8)之間有2mm 3mm間隙。
5.根據權利要求1所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述上蓋(4)與殼體(5)焊接固定，下蓋(8)與殼體(5)焊接固定，后蓋(9)與下蓋(8)采用螺釘固定，四孔陶瓷管(7)和上蓋(4)通過高溫膠(10)粘接固定。
6.根據權利要求1所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述上蓋(4)、殼體(5)和下蓋(8)的材料為不銹鋼或銅。
7.根據權利要求1所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述熱電偶絲(3)為康銅-鎳鉻熱電偶、鎳鉻-鎳娃熱電偶或銅-康銅熱電偶。
8.根據權利要求1所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述兩根鎳鉻絲(2)與康銅圓箔片(I)構成康銅-鎳鉻熱電偶，以測量敏感端康銅圓箔片(I)的中心與邊緣的溫度差，進一步得到測量端面的熱流值。
9.根據權利要求1所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:傳感器的安裝具有法蘭安裝和螺紋安裝兩種方式。
10.根據權利要求1所述的一種相變儲熱式熱流傳感器，其特征在于:所述四孔陶瓷管(7)為四孔氧化鋁瓷管或四孔氮化硼瓷管；所述康銅圓箔片(I)表面涂黑。
全文摘要
本發明涉及一種相變儲熱式熱流傳感器，主要由殼體、上蓋、下蓋、后蓋、相變儲熱體、表面涂黑的康銅圓箔片、鎳鉻絲、熱電偶、四孔氧化鋁瓷管等組成，康銅圓箔片與兩根鎳鉻絲構成測量端面敏感體，與上蓋焊接后，上蓋再與殼體焊接；旋入儲熱體后，下蓋與殼體焊接；康銅圓箔片處的兩根鎳鉻絲和熱電偶穿過四孔氧化鋁瓷管后，經后蓋緊固引出；本發明傳感器采用相變儲熱原理，顯著的延長了工作時間；采用了E型差分熱電偶，大大提高了測量端面的耐高溫能力；采用熱電偶，在測量端頭部分加入了溫度監測，避免了測量端頭部分熔化、燒毀等情況的發生。
文檔編號G01K17/00GK103217233SQ20131010837
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者楊顯濤, 劉建華, 陳青松, 王海清 申請人:北京遙測技術研究所, 航天長征火箭技術有限公司