[发明专利]多功能传感器及高温下测量热流与温度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种壁面热流与温度同时测量的装置及方法。 

背景技术

目前热流测量的方法主要有薄膜热电偶、Smith型热流传感器等。薄膜热电偶响应时间短，适合测量瞬时热传导过程，但是它所能测量的温度范围有限，高温时容易烧坏。Smith型热流传感器信号较强，能够耐高温，但是响应时间较长，并且制作工艺复杂，需要在陶瓷板上镀铜和康铜电路，设备比较昂贵。温度测量通常用的是热电偶，但是热电偶的工作温度范围通常在1300K以下，在更高温度的环境中，热电偶是无法生存的。对于高超声速飞机的超燃冲压发动机来说，燃烧室气流环境十分恶劣，温度通常在2000K以上，热流达到1MW/m²，在此环境下热电偶很容易损坏，无法测量壁面热流与温度。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种耐高温、能够同时测量热流与温度的传感器。 

本发明的另一目的在于提供一种高温环境下测量热流与温度的方 法。 

本发明的多功能传感器，包括外壳和热流测头，外壳上设置热流测头，热流测头包括热流探头和热沉，热流探头设置在外壳外部，热沉与热流探头相连容置在外壳内部与热流探头组成热电偶，所述外壳内还设置有用于冷却热流测头的冷却装置和用于测量热沉温度的另一热电偶，两热电偶与检测仪相连，通过测量出两热电偶的电压信号实现热流和温度的检测。 

进一步，所述热流探头为康铜片，所述热沉为截面为环形的铜柱体，康铜片的边缘与铜热沉的环形端面焊接，康铜片的中心引出一根铜导线，铜柱体上引出另一根铜导线，所述检测仪连接在两根铜导线之间。 

进一步，所述热流探头与热沉材料为镍铬-镍硅或铂铑13-铂或铂铑10-铂或铂铑30-铂铑6能够组成热电偶的材料。 

进一步，所述热沉装配在所述外壳内设置的基体上，基体与外壳焊接，所述冷却装置为基体与外壳之间设置的水槽，所述另一热电偶设置在基体上或者热沉上。 

进一步，所述水槽内容置冷却水管，冷却水管一端焊接在所述基体上，另一端设置的转接头与供水装置相连。 

进一步，所述热流探头顶部设置有隔热陶瓷，隔热陶瓷与热流探头的接触面上涂抹导热硅脂。 

本发明的高温环境下测量热流与温度的方法：包括以下步骤：1)采用上述装置测量热流探头与热沉组成的热电偶的电压信号，通过公 式Eq=4.37×10-4·R2S,]]>可得热流，其中E为电压、q为热流、R为热流探头的半径、S为热流探头的厚度；2)测量导热元件热沉处的低温区温度通过热传导公式T_h-T_l＝ΔT，ΔT=ΔT1+ΔT2=q·l1k1A1+q·12πd2k2]]>得到热流探头高温区的温度，其中T_h为热流探头的温度，T_l为基体或者热沉温度，ΔT₁为隔热陶瓷两端的温度差，ΔT₂为热流探头中心与边缘处的温差，q为热流探头处的热流，R₁为隔热陶瓷的热阻，R₂为热流探头的热阻，l₁为隔热陶瓷的厚度，k₁为热流探头的导热系数，A₁为热流探头截面面积，d₂为热流探头的厚度，k₂为热流探头的导热系数。