一种双向热电堆式薄膜热流计及热流测量方法与流程

本发明涉及热工测试领域，特别是涉及一种双向热电堆式薄膜热流计及热流测量方法。

背景技术：

在航空发动机的研制过程中，需要对全台发动机及其部件进行长时间的试车运转，进行大量的气动性能试验和结构强度试验，包括稳态性能、过渡态性能、失稳状态故障研究等，以确定其性能的完善程度及工作的可靠性，这些试验的主要特点是：技术复杂、环节多、工作量大、投资大、周期长，并且需要依靠可靠的测试技术提供有用的信息数据。在一定意义上可以说，没有先进的测试技术，就没有先进的航空发动机，就没有发动机理论和技术的进步。

作为测试技术的主要内容之一，热流的准确测量具有极为重要的意义。航空发动机热端部件的温度水平和温度梯度直接决定了热端部件的安全性和使用寿命，而温度水平和温度梯度则取决于高温部件的冷却设计和发动机热分析系统的精度，这就离不开热端部件表面热流的准确获取，而这也恰是当今热工测量技术中的一大难题。

传统的嵌入式热流计具有很大的缺点：由于其热质量大，因此其响应时间长、响应频率比较低，对于测量结果会造成较大相对误差，导致测量不准确，且加工工艺极为复杂，工程可实现性差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双向热电堆式薄膜热流计及热流测量方法，达到提高热流密度测量精度的技术效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双向热电堆式薄膜热流计，所述热流计溅射或贴合于被测面进行热流检测，所述热流计与所述被测面接近的面为感热面，与所述感热面相对的面为开放面；所述热流计包括热电偶、第一热阻层和第二热阻层，所述热电偶包括冷端和热端，所述冷端和所述热端并排设置，所述冷端的感热面设置所述第一热阻层，所述冷端的开放面设置所述第二热阻层，所述热端的感热面设置所述第二热阻层，所述热端的开放面设置所述第一热阻层。

可选的，所述第一热阻层和所述第二热阻层的厚度相等。

可选的，所述冷端和所述热端位于同一物理层高度。

可选的，所述热电偶为薄膜热电偶。

可选的，所述第一热阻层和所述第二热阻层的导热系数不同。

可选的，热电堆式薄膜热流计包括多个热电偶，所述多个热电偶串联。

一种基于双向热电堆式薄膜热流计的热流测量方法，所述方法包括：

确定所述薄膜热流计的测头系数ξ；

测量所述薄膜热流计输出的电压信号f(e)；

根据公式q＝ξf(e)计算待测物体表面的热流密度q。

可选的，所述测头系数其中λ1为第一热阻层的导热系数，λ2为第二热阻层的导热系数，所述第一热阻层和所述第二热阻层的厚度均为δ。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明以热电偶与被测面接近的面为感热面，与感热面相对的面为开放面，热电偶包括冷端和热端，冷端的感热面设置第一热阻层，冷端的开放面设置所述第二热阻层，热端的感热面设置第二热阻层，热端的开放面设置第一热阻层，使得热电偶的冷端两侧的总热阻与热电偶的热端两侧的总热阻相同。从功能上，此方法不会导致热流密度的差异，提高了热流密度的测量精度，并且根据相应的热流测量方法能够快速计算热流密度，通过热流密度数值的正负能更准确地判断热流方向。从工艺上，此方法避免了传统的热电偶冷热两端节点上下双层布置时的侧面引线以及腐蚀开孔难题，更利于工程实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的热流计结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双向热电堆式薄膜热流计的热电堆连接示意图。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种双向热电堆式薄膜热流计，提高了热流密度的测量精度，并且可以判断热流的方向。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

本发明公开了一种双向热电堆式薄膜热流计，如图1所示，热流计溅射或贴合于被测面5进行热流检测，热流计与被测面5接近的面为感热面，与感热面相对的面为开放面；热流计包括热电偶、第一热阻层3和第二热阻层4，热电偶为薄膜热电偶，热电偶包括冷端2和热端1，冷端2和热端1并排设置，冷端2的感热面设置第一热阻层3，冷端2的开放面设置第二热阻层4，热端1的感热面设置第二热阻层4，热端1的开放面设置第一热阻层3。

热电偶的冷端2两侧的总热阻与热电偶的热端1两侧的总热阻相同，不会导致热流密度的差异，提高了热流密度的测量精度。

第一热阻层3和第二热阻层4旋转对称的设置结构，使热流计可以测量由开放面流入被测面的热流，也可以测量由被测面流向感热面的热流，实现双向热流密度的测量。

第一热阻层3和第二热阻层4的厚度相等，冷端2和热端1位于同一物理层高度，这种设计一方面大大降低了加工难度，只需要针对冷端2和热端1分别溅射不同热导率的金属即可达到测量温差的效果，另一方面，避免了为了使热薄膜热电偶穿越热阻层而使用氢氟酸腐蚀热阻层表面时不易控制的问题，同时也避免了热电偶跨越热阻层侧面时易断裂失效的问题，从而极大的增大了薄膜热流计的稳定性和寿命。

第一热阻层3和第二热阻层4的导热系数不同。

热电堆式薄膜热流计包括多个热电偶，所述多个热电偶串联。

如图2所示，多个热电偶的冷端和热端依次连接，形成热电堆，这样可以增大输出信号，同时减小了误差，提高双向热电堆式薄膜热流计的测量精度。

本发明还公开了一种基于双向热电堆式薄膜热流计的热流测量方法，方法包括：

确定所述薄膜热流计的测头系数ξ；

测量所述薄膜热流计输出的电压信号f(e)；

根据公式q＝ξf(e)计算待测物体表面的热流密度q。

测头系数其中λ1为第一热阻层的导热系数，λ2为第二热阻层的导热系数，第一热阻层和第二热阻层的厚度均为δ。

采用sio2为第一热阻层材料和al2o3作为第二热阻层材料，其导热系数为λ1＝0.63w/(m²℃)和λ2＝33.5w/(m²℃)，厚度δ均为5μm，根据公式计算热流计的测头系数，采用铂铑13-铂作为热电偶材料，在温度为1000℃，热流密度为q＝1000w/m²时，串联50个热流计输出的电压信号为f(e)＝4.48×10^-3mv，满足测量需求。

当热流计输出的电压信号数值将为负数时，则可以判断热流方向与上述被测热流方向相反。

对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。