一种戈登式热流计及其自修正方法与流程

1.本说明书涉及热流测量技术领域，尤其是涉及一种戈登式热流计及其自修正方法。


背景技术：

2.戈登式热流计又称圆箔式热流传感器，其具有结构简单、响应时间快、测量精度高、环境适应性好，广泛用于航空、航天、建筑、石油化工等行业辐射及辐射对流热流参数的测量。
3.戈登式热流传感器，基于温度梯度测量原理，根据是否采用液冷设计，其可分为热沉式热流传感器和液冷式热流传感器。液冷式热流传感器依靠液冷带走传感器吸收的热量，用于兆瓦级长时间热流密度测量；而热沉式热流传感器依靠热沉体的热容吸热，一般用于低热流环境，且测量时间较短。
4.两种方式的热流计测量空间小热流密度环境时，其不仅吸收空间的辐射热流，而且由于传感器的自身温度，传感器自身还要向空间辐射热流，受到传感器热沉体温度不同的影响，当空间辐射温度与传感器表面温度温差很小时，传感器吸收的能量与发射到空间的能量很接近，导致传感器净吸收空间辐射能量很小，传感器的敏感元件圆箔片上无任何温差，传感器输出基本为零，因此，现有设计的戈登式热流传感器很难测量到环境辐射的小量程热流密度。
5.因此，如何实现戈登式热流计低气压空间小量程的辐射热流参数测量，已成为目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本说明书实施例的目的在于提供一种戈登式热流计及其自修正方法，能够实现低气压空间小量程的辐射热流参数。
7.一方面，本发明提供一种戈登式热流计，所述戈登式热流计包括：热沉体、敏感元件和热能检测组件；
8.所述热沉体的一侧为凹槽结构，所述热沉体的内部为水冷结构，所述凹槽结构开口侧设有所述敏感元件，以使所述凹槽结构内部形成隔热空腔，所述敏感元件用于吸收空间的辐射热流，并将热能传递给所述热沉体，所述水冷结构为冷却液提供通道，用于对所述热沉体进行冷却处理；
9.所述热能检测组件均与所述热沉体和所述敏感元件连接，用于检测所述热沉体和所述敏感元件的温度。
10.另一方面，本发明还提供一种戈登式热流计的自修正方法，所述方法包括以下步骤：
11.将戈登式热流计置于稳定空间热流环境，并控制敏感元件和热沉体温度相同；
12.根据第二检测组件的检测数据和热沉体参数，计算得到敏感元件吸收的空间热流
密度标准值；
13.调节水冷结构进液端的冷却液的进液温度和进液速度，以使热沉体温度保持在第一温度；
14.根据敏感元件和热沉体参数信息、第一检测组件和第二检测组件的检测数据，计算得到敏感元件吸收的空间热流密度参考值；
15.根据所述空间热流密度标准值和所述空间热流密度参考值，获得所述戈登式热流计的修正值。
16.采用上述技术方案，本发明所述的一种戈登式热流计及其自修正方法，通过将敏感元件和热沉体之间形成隔热空腔，可以实现隔热空腔内部热能的充分散发，从而有效实现对低气压空间小量程的辐射热流参数测量，提高了检测的准确度，另外通过提供热流计的自修正方法，可以进一步保证戈登式热流计检测的准确性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
18.图1为本说明书实施例中戈登式热流计的结构示意图；
19.图2为本说明书实施例中水冷结构的结构式示意图；
20.图3为本说明书实施例中散热结构的结构示意图；
21.图4为本说明书实施例中戈登式热流计工作原理示意图；
22.图5为本说明书实施例中提供的戈登式热流计自修正方法的步骤示意图；
23.图6为图5中步骤s101的详细步骤示意图。
24.图中附图标记：
25.1：热沉体；
26.2：敏感元件；
27.3：热能检测组件；
28.4：高发射率涂层；
29.11：凹槽结构；
30.12：水冷结构；
31.31：第一检测组件；
32.32：第二检测组件；
33.111：通孔；
34.121：冷却部；
35.122：连接部；
36.123：进液端；
37.124：出液端；
38.311：第一正极测温丝；
39.312：第一负极测温丝；
40.321：第二正极测温丝；
41.322：第二负极测温丝。
具体实施方式
42.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.现有的戈登式热流计在吸收空间的辐射热流时，当空间辐射温度与热流计表面温度温差很小时，热流计吸收的能量与发射到空间的能量很接近，导致热流计净吸收空间辐射能量很小，热流计的敏感元件圆箔片上无任何温差，传感器输出基本为零，因此，现有设计的戈登式热流传感器很难测量到环境辐射的小量程热流密度。
46.本说明书实施例提供一种戈登式热流计，所述热流计能够实现低气压空间的小量程热流量测量。
47.本说明书实施例提供的戈登式热流计的结构组成是本说明书发明构思的一种表现形式，过多或过少能实现戈登式热流计相应功能的结构组成均在本说明书所要求的保护技术方案的范围内。
48.具体地，如图1所示，所述热流计包括热沉体1、敏感元件2和热能检测组件3；所述热沉体1的一侧为凹槽结构11，所述凹槽结构11开口侧设有所述敏感元件2，以使所述凹槽结构11内部形成隔热空腔，所述敏感元件2用于吸收空间的辐射热流，并将热能传递给所述热沉体1，所述隔热空腔的底部可以发射所述热沉体1自身的热能，进而被所述敏感元件2接收，这样在低气压小量程热流环境下，提高所述敏感元件2吸能热能的量，实现热流计检测的准确性。
49.所述热沉体1的内部为水冷结构12，所述水冷结构12为冷却液提供通道，用于对所述热沉体1进行冷却处理，在进行热流计热量时可以使所述敏感元件2和所述热沉体1之间形成温度差，从而实现所述敏感元件1热能量的传递，提高热流测量的响应速度。
50.所述热能检测组件3与所述热沉体1和所述敏感元件2连接，用于检测所述热沉体1
和所述敏感元件2的温度，通过对所述热沉体和所述敏感元件2自身温度的检测结合所述热沉体和所述敏感元件的参数可以获得空间辐射热流量密度，具体计算过程下文详述。
51.在实际工作中，所述敏感元件2为圆箔片，可以感知空间绝对辐射热流，所述热沉体1一端为凹槽设置，所述圆箔片设置在所述凹槽上，所述圆箔片的边缘与所述凹槽开口端的边缘连接，作为可选地，所述圆箔片可以为康铜片，所述热沉体可以为纯铜或不锈钢等导热快的材质，因此所述圆箔片可以通过钎焊熔接/激光焊接的方式与所述热沉体联结，作为优选地，所述圆箔片和所述热沉体之间的联结点均匀分布，这样所述圆箔片接收到空间的辐射能量可以均匀快速的传递到所述热沉体1内部，同时上述联结点可以作为构成所述圆箔片边缘处的测温热电偶结点。
52.所述的康铜片所用材料为铜镍合金(cu：55％，ni：45％)，常称之为康铜；所述的热沉体所用材料为纯铜(cu：100％)；二者分别为t型热电偶的负极和正极材料。
53.进一步实施例中，所述热沉体1可以为圆柱状结构，所述柱状结构的一端可以设有凹槽结构，凹槽结构的开口端设有圆箔片，圆箔片吸收空间辐射热流对整个热沉体传递热能，在所述柱状结构的另一端设有水冷结构，所述水冷结构内部设有冷却热流通通道，从而可以为所述热沉体降温。
54.所述圆柱状结构的中轴线可以为中空设置，并穿过所述圆箔片的圆心，在所述圆箔片接收到空间辐射热流时，热流在圆箔片内部通过中心向四周扩散，进而可以将热能均匀的传递给热沉体，因此通过圆箔片的圆心通孔设计，可以使得热能在圆箔片内部横向均匀的传递给热沉体，可以准确的获得圆箔片的温度变化，提高检测的准确性。
55.为了进一步提高所述隔热空腔内部热能的强度，从而使得所述敏感元件2获得更多的热能，可以提高所述热沉体1向所述隔热空腔内部的发射热能，作为可选地，所述凹槽结构11的底部可以设为散热结构，所述散热结构可以用来增加所述凹槽结构11底部对所述敏感元件2的表面发射率。
56.可以理解为，所述散热结构能够增加所述凹槽底面的表面积，这样就可以增加凹槽结构11底部向所述敏感元件2发射的热能，作为可选地，如图3所示，所述散热结构可以为锥状结构，优选地，当所述热沉体1为圆柱状结构时，所述散热结构可以为环状微锥结构，能够较大程度的增加所述凹槽结构11底部的表面发射率。
57.在本说明书实施例中，所述散热结构和所述热沉体1可以为一体成型结构，可以提高热能在热成体内部传递的连续性，避免热能的过渡消耗。
58.本说明书实施例提供的戈登式热流计适用于低气压的空间辐射热流的测量，由于敏感元件是以圆箔片的形式固定在所述凹槽结构11的开口端，为了避免在低气压环境下圆箔片的连接的不稳定，在所述凹槽结构11的侧壁设有通孔111，所述通孔111用于将所述隔热空腔与外部环境连通，作为可选地，所述通孔可以为腔内压力平衡微孔，平衡内外压力，使得热流计适用于真空等低气压环境，以免由于隔热空腔与外界压力不一致，导致敏感元件2圆箔片受到压力作用变形，需要说明的是，所述腔内压力平衡微孔能够起到平衡内外压力的作用，为了避免腔内热能从该通孔过多流失，所述通孔的孔径可以设置较小的尺寸，在一些其他实施例中，所述腔内压力平衡微孔可以设置多个，在本说明书不做限定。
59.所述水冷结构12作为热沉体1的冷却结构，内部设有冷却液通道，实现对所述热沉体1的温度调节，具体地，如图2所示，所述水冷结构12可以包括冷却部121、连接部122、进液
端123和出液端124；所述冷却部121一端设有所述凹槽结构11，可以实现对凹槽结构11实现快速温度调节，所述冷却部121的另一端与所述连接部122的一端连通，所述连接部122的另一端连通所述进液端123和所述出液端124，以使冷却液通过所述进液端123、所述连接部122进入所述冷却部121，并通过所述冷却部121、所述连接部122流出所述出液端124。通过水冷结构12的设置可以快速调节所述热沉体1的温度，并能保证所述热沉体1保持在固定温度，特别是使热流计各个组件在常温或者低温下工作，提高了量热计的测量精度，实现了量热计的长时间测量。
60.进一步实施例中，当所述热沉体1为圆柱状结构时，所述水冷结构12中的冷却部121可以为轮辐式结构，具体可以为轮辐式由内向外出液设计，该结构设计对热沉体1具有较好的冷却效果，温场分布均匀性，能够有效降低热沉体1和敏感元件2圆箔片温度分布不均对对热流测量带来的误差影响。
61.进一步实施例中，所述热能检测组件3可以检测所述热沉体1和所述敏感元件2的温度信息，其中所述热能检测组件3包括第一检测组件31和第二检测组件32，作为可选地，所述第一检测组件31和所述第二检测组件32可以穿过所述热沉体1的中轴线设置，使得整个热流计结构更加紧凑。
62.所述第一检测组件31包括第一正极测温丝311和第一负极测温丝312；所述第一正极测温丝311与所述敏感元件2的中心处连接，所述第一负极测温丝312与所述敏感元件2连接。
63.作为可选地，所述第一正极测温丝311为纯铜丝，可以通过焊接方式联结圆箔片，联结点构成敏感元件2圆箔片中心处的测温热电偶结点，所述第一负极测温丝312也是联结在所述敏感元件2上，所述第一负极测温丝312可以选择康铜丝，需要说明的是，所述第一负极测温丝312需要所述远离所述热沉体1和所述第一正极测温丝311，这样能够减少所述第一正极测温丝311通过联结点传递的热能，从而保证第一正极测温丝311检测温度的准确性，作为可选地，所述第一负极测温丝312可以设置在所述敏感元件2圆箔片半径的中点位置。
64.所述第二检测组件32包括第二正极测温丝321和第二负极测温丝322；所述第二正极测温丝321与所述热沉体1连接，所述第二负极测温丝322与所述凹槽结构11的底部连接。
65.作为可选地，所述第二正极测温丝321可以选择与所述热沉体1相同材质的材料，可以为纯铜丝，可以采用焊接方式连接，所述第二正极测温丝321和所述第一正极测温丝311可以构成一对温差热电偶，用于测量敏感元件2圆箔片中心与边缘处的温差，通过测量这两之间的热电势即可得到敏感元件2圆箔片中心与边缘处的温差，另外所述第二正极测温丝321与所述第一负极测温丝312可以构成测量敏感元件圆箔片边缘处温度的热电偶对。
66.所述第二负极测温丝322与所述散热结构的表面连接，其中所述第二负极测温丝322可以选择与所述敏感元件2相同的材质，作为可选地，可以为康铜丝；所述第二负极测温丝322和所述第二正极测温丝321构成测量环微锥结构表面温度的热电偶对。
67.进一步实施例中，还可以在所述热沉体1和所述敏感元件2的表面涂覆高发射率涂层4，可以涂覆在所述热沉体1表面，所述敏感元件2的内外表面和所述散热结构表面，能够增加热流计表面的发射率，从而能够提高隔热空间热能强度，以及敏感元件2自身的发射热能效率，进而能够提高在小量程热能的检测精准度。作为可选地，所述高发射率涂层4可以
采用耐低气压、耐高低温材料的制作而成。
68.在本说明书实施例中，所述戈登式热流计的传热部件敏感元件2厚度很薄，且与所述热沉体1的接触热阻很小，使得量热计热响应极快。所述敏感元件2表面受到加热后，大部分热量通过敏感元件2和热沉体1的直接接触区域直接热传导给热沉体1；而敏感元件2中心圆形区域由于其底面与热沉体1无直接接触，需要在敏感元件2内部建立横向热传导，将热量传导到敏感元件2与热沉体1的直接接触区域后，再热传导给热沉体1。此时，在敏感元件2的中心点和中心圆形区域边沿之间会有一个较明显的温差。
69.如图4所示，为本说明书实施例中热流计工作原理示例图，敏感元件2和热沉体1吸收空间辐射热流q
空间
，即被侧空间辐射热流参数，敏感元件2圆箔片外侧和热沉体1自身由于温度存在，想外界空间辐射能量q
圆箔外
，该值与表面温度的四次方和表面发射率乘积成正比，恒为正值。q
圆箔内
为敏感元件2圆箔片内侧由于自身温度存在，向隔热空腔辐射的能量；隔热空腔辐射的能量被与热沉体1一体的散热结构吸收。e为吸收的能量，即沿着敏感元件2圆箔片内部由中线向热沉体1传导的能量。q
热沉
为散热结构由于自身温度存在，向隔热空腔辐射的能量，该辐射的能量被敏感元件2圆箔片吸收。
70.对于敏感元件2圆箔片很薄，稳态时，忽略圆箔片厚度方向的导热，根据傅里叶导热公式和能量守恒公式可知描述圆箔片导热微分方程为：
[0071][0072][0073]
边界条件为：
[0074]
r＝0时，t(0)＝t1
[0075]
r＝0时，t’(0)＝0
[0076]
r＝r时，t(r)＝t2
[0077]
式中，q为被测环境热流密度，r为敏感元件圆箔片的半径，h为敏感元件圆箔片厚度，λ为敏感元件圆箔片导热系数，ε为物体表面发射率，δ为玻尔兹曼常数。
[0078]q热沉
与散热结构表面温度有关，可通过热沉体1的第二正极测温丝321和热沉体1的第二负极测温丝322之间的信号测量计算求得。
[0079]
温度t1表示敏感元件圆箔片中心处的温度，可以通过敏感元件2的第一正极测温丝311和第一负极测温丝312的测量值得知，温度t2表示敏感元件圆箔片边缘处温度，可以通过敏感元件的第一负极测温丝312和热沉体1的第二正极测温丝321的测量值得知。
[0080]
通过上述公式(1)和(2)，被测环境空间辐射热流密度q可以通过第二正极测温线321和第一负极测温丝312之间信号、第一正极测温丝311和第一负极测温丝312之间信号、第二正极测温丝321和第二负极测温丝322之间信号计算得到。
[0081]
通过上述提供的戈登式热流计的工作原理图，本说明书实施例还提供一种戈登式热流计的自修正方法，所述方法基于能量守恒原理实现，具体为，敏感元件圆箔片吸收的能量与敏感元件圆箔片向外界辐射和传到的能量相同，根据能量守恒公式：
[0082]q空间
q
热沉
＝q
圆箔内
q
圆箔外
e
ꢀꢀꢀ
(3)
[0083]
移项可得：q
空间
＝q
圆箔内
q
圆箔外
e-q
热沉
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0084]
由于敏感元件圆箔片很薄，基本基于0.3mm以下，近似认为圆箔片外表面与内表面温度分布一致。相当于，q
圆箔内
＝q
圆箔外
。
[0085]
因此空间辐射热流密度为：
[0086][0087]
本说明书实施例提供一种戈登式热流计的自修正方法，能够实现热流计检测数据的修正，图5是本发明实施例提供的一种戈登式热流计的自修正方法的步骤示意图，本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或装置产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的如图5所示，所述方法可以包括：
[0088]
s101：将戈登式热流计置于稳定空间热流环境，并控制敏感元件和热沉体温度相同；
[0089]
s103：根据热能检测组件的检测数据和热沉体参数，计算得到敏感元件吸收的空间热流密度标准值；
[0090]
s105：调节水冷结构进液端的冷却液的进液温度和进液速度，以使热沉体温度保持在第一温度；
[0091]
s107：根据敏感元件参数、热沉体参数和热能检测组件的检测数据，计算得到敏感元件吸收的空间热流密度参考值；
[0092]
s109：根据所述空间热流密度标准值和所述空间热流密度参考值，获得所述戈登式热流计的修正值。
[0093]
本说明书实施例提供的自修正方法首选通过绝对测量方法得到获取空间辐射热流密度的标准值，相当于真实的空间辐射热流密度，然后通过调节热沉体1维持的固定温度点进行二次测量，此次测量得到的空间辐射热流密度是常规工作模式下获得的数据，会由于空间辐射热流的不稳定以及热流计自身组件的长期工作下的性能损耗，会导致固定温度点下测量的值有一定偏差，通过二次测量得到的数据与标准值进行比较就能得到修正值，在后续进行测量时通过所述修正值进行修正。
[0094]
需要说明的是，尽管通过绝对测量方法可以测得真实准确的空间辐射热流密度数据，但是该方法只适用稳态辐射热流测量，同时该方法测量时间长、动态响应时间较差，因此为了确保测量的效率一级针对动态空间辐射热流测量，都会选择固定温度点测量方法。
[0095]
步骤s101中是将戈登式热流计置于稳定的空间辐射热流环境，如图6所示，可以包括以下步骤：
[0096]
s1011：将戈登式热流计置于稳定空间热流环境，并获取热能检测组件中第一正极测温丝和第二正极测温丝之间的信号值输出；
[0097]
s1013：调节水冷结构进液端的冷却液的进液温度和进液速度，以使所述第一正极测温丝和所述第二正极测温丝之间的信号输出为零。
[0098]
当所述第一正极测温丝311和所述第二正极测温丝321之间的信号输出为零，表示所述敏感元件和所述热沉体之间没有热能传递，即e＝0，该状态下，敏感元件内部无导热热
流；敏感元件表面无温度梯度，即表面温度为定值，与热沉体温度相同，即q
圆箔外
＝e。q
空间
的空间辐射热流与热流计的热沉体的辐射热流相同。
[0099]
结合公式(2)和(5)可得出：
[0100][0101]
通过热沉体的第二正极测温丝321和热沉体的第二负极测温丝322之间的信号测量计算求得q。
[0102]
通过步骤s103得到的空间辐射热流密度是真实的密度值，可以在稳定的空间辐射热流环境下使用。
[0103]
通过上述提供的一种戈登式热流计及其修正方法可以取得如下有益效果：
[0104]
1.通过设置隔热空腔增加热能的发射可实现小量程的空间辐射热流的测量。同时说明书实施例考虑到了低气压、低温等真空环境特点，规避了热流计自身温度、空间辐射温度对辐射热流测量的影响，即使热流计自身向空间辐射的热流与待测的空间辐射热流相同或近似，都可以实现热流的精确测量。
[0105]
2.通过对热流计进行自修正既能在稳定的空间辐射热流获得精确度高的数据，又能对固定温度点工作下的热流计进行数据修正，提高热流计的测量准确度，通过采用固定温度点工作测量响应时间快。
[0106]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0107]
以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。