專利名稱：一種對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)試方法及其對(duì)流換熱系數(shù)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，具體地，是指一種能夠直接測(cè)量對(duì)流換熱表面對(duì)流換熱系數(shù)的傳感器以及提供一種計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)試方法。
背量技術(shù)對(duì)流還熱系數(shù)是衡量對(duì)流換熱強(qiáng)弱的重要參數(shù)，也是計(jì)算對(duì)流換熱問題的基本數(shù)據(jù)。在當(dāng)今的傳熱學(xué)領(lǐng)域和與熱動(dòng)力有關(guān)的生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)據(jù)主要是通過實(shí)驗(yàn)間接獲得，但是，對(duì)于一些特定的場(chǎng)合(如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)的對(duì)流換熱問題)，間接獲取對(duì)流換熱系數(shù)也是非常困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于傳熱學(xué)的基本理論而設(shè)計(jì)的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，它可以直接得到被測(cè)物體表面的對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)據(jù)，也可以用于測(cè)量對(duì)流換熱表面的對(duì)流換熱熱流。
本發(fā)明的另一目的是提供一種對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)試計(jì)算方法，該方法有效地提高了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的測(cè)試精度。
本發(fā)明的一種能夠直接測(cè)量對(duì)流換熱表面對(duì)流換熱系數(shù)的熱的測(cè)試方法，當(dāng)傳感器安裝于被測(cè)表面，并對(duì)傳感器的測(cè)溫圓片瞬間加熱后，對(duì)流換熱系數(shù)α測(cè)試式為α=ρcV(τ2-τ1)Flnt1-t∞t2-t∞]]>其第一熱電偶5和第二熱電偶6在τ1時(shí)刻測(cè)得的圓片和流體的溫差為t1-t∞，在下一個(gè)時(shí)刻第一熱電偶5和第二熱電偶6測(cè)得的圓片和流體的溫差t2-t∞滿足t2-t∞＝0.33(t1-t∞)時(shí)(此時(shí)的時(shí)刻為τ2)對(duì)流換熱系數(shù)誤差最小，為δαα=4.07(δtt1-t∞)]]>本發(fā)明的一種能夠直接測(cè)量對(duì)流換熱表面對(duì)流換熱系數(shù)的傳感器，包括測(cè)量?jī)x表8，測(cè)量?jī)x表8內(nèi)至少設(shè)置有供電電源，其還包括殼體1、測(cè)溫圓片2、加熱膜3、絕熱體4、第一熱電偶5、第二熱電偶6、正極加熱引線701和負(fù)極加熱引線702，加熱膜3、絕熱體4、第一熱電偶5安裝在殼體1內(nèi)，測(cè)溫圓片2安裝在殼體1頂部構(gòu)成殼體1的蓋板；測(cè)溫圓片2的背面鍍有加熱膜3，加熱膜3的兩端上連接有正極加熱引線701和負(fù)極加熱引線702，正極加熱引線701和負(fù)極加熱引線702的另一端連接在測(cè)量?jī)x表8的供電電源上；加熱膜3與殼體1底部之間填充有絕熱體4；第一熱電偶5的測(cè)溫端與測(cè)溫圓片2接觸，第一熱電偶5的正極接線端與第二熱電偶6的正極接線端連接，第一熱電偶5的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表8連接，第二熱電偶6的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表8連接，第二熱電偶6的測(cè)溫端與流體接觸。
所述的對(duì)流換熱傳感器，其第一熱電偶5和第二熱電偶6構(gòu)成溫差熱電偶，其溫差由測(cè)量?jī)x表8測(cè)量。
所述的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，其測(cè)溫圓片2是小于1mm厚的銅片或者不銹鋼。
所述的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，其加熱膜3可以是光刻不銹鋼加熱片或者電鍍膜。
本發(fā)明的傳感器可以解決對(duì)流換熱表面尤其是復(fù)雜表面對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)量問題，可以直接得到對(duì)流換熱表面的對(duì)流換熱系數(shù)，而不必進(jìn)行繁瑣的溫度場(chǎng)測(cè)量。


圖1是本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明傳感器計(jì)算方法的流程圖。
圖中1.殼體 2.測(cè)溫圓片 3.加熱膜 4.絕熱體 5.第一熱電偶6.第二熱電偶 701.正極加熱引線 702.負(fù)極加熱引線 8.測(cè)量?jī)x表具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)行一步的詳細(xì)說明。
在本發(fā)明中，傳感器是依據(jù)傳熱學(xué)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的集總參數(shù)法原理。請(qǐng)參見圖1所示，假設(shè)一個(gè)很薄(厚度小于1mm)的銅制或不銹鋼制測(cè)溫圓片2，測(cè)溫圓片2與溫度為t∞流體發(fā)生對(duì)流換熱，殼體1為不銹鋼材料制成的“U”形狀，測(cè)溫圓片2安裝在殼體1頂部構(gòu)成殼體1的蓋板，故流體只與測(cè)溫圓片2和流體接觸的表面換熱，其余三面不換熱。設(shè)定換熱面積表示為F，圓片的體積表示為V，測(cè)溫圓片2密度表示為ρ，測(cè)溫圓片2比熱表示為c。當(dāng)對(duì)測(cè)溫圓片2進(jìn)行加熱后，其溫度必然要升高；當(dāng)加熱停止后，由于受流體對(duì)流換熱的冷卻，測(cè)溫圓片2的溫度將逐漸降低。由于測(cè)溫圓片2很薄，測(cè)溫圓片2內(nèi)各處溫度基本相等，也就等于測(cè)溫圓片2表面的溫度。在某一時(shí)刻τ1測(cè)得圓片與流體的溫差為t1-t∞，經(jīng)過一段時(shí)間后，在τ2時(shí)刻測(cè)得圓片與流體的溫差為t2-t∞，并設(shè)測(cè)溫圓片2與流體的對(duì)流換熱系數(shù)為α。以上各量存在如下關(guān)系
t1-t∞t2-t∞=eαFρcV(τ2-τ1)----(1)]]>則α=ρcV(τ2-τ1)Flnt1-t∞t2-t∞----(2)]]>利用(2)式即可測(cè)量出流體與測(cè)溫圓片2表面的對(duì)流換熱系數(shù)α。如用第一熱電偶5和第二熱電偶6組成溫差熱電偶的測(cè)溫誤差為δt，通過誤差分析可以得出，當(dāng)滿足t2-t∞＝0.33(t1-t∞) (3)時(shí)，測(cè)得的對(duì)流換熱系數(shù)誤差最小，其方法誤差為δαα=4.07(δtt1-t∞)----(4)]]>因此，降低第一熱電偶5和第二熱電偶6組成溫差熱電偶的測(cè)量誤差和提高t1-t∞都可以提高對(duì)流換熱系數(shù)α的測(cè)試精度。
例設(shè)第一熱電偶5和第二熱電偶6組成溫差熱電偶的測(cè)量誤差0.1℃，在時(shí)刻τ1時(shí)測(cè)得溫差為t1-t∞＝50℃，在t2-t∞＝50℃×0.33＝16.5℃(用公式(3)計(jì)算)時(shí)，測(cè)量此時(shí)的時(shí)間為τ2，利用公式(2)即可得到該工況下的對(duì)流換熱系數(shù)α，此時(shí)的α誤差最小，相對(duì)誤差為4.07×0.150=0.814%.]]>上述公式的符號(hào)表示為t∞流體溫度(流體的實(shí)際溫度，一般在室溫至400℃左右，用第二熱電偶6測(cè)量)F換熱面積(指測(cè)溫圓片2與流體接觸表面積)c比熱(指測(cè)溫圓片2材料的比熱)V測(cè)溫圓片2體積ρ密度(指測(cè)溫圓片2材料的密度值)α對(duì)流換熱系數(shù)δt 溫差熱電偶的測(cè)溫誤差(指第一熱電偶5和第二熱電偶6組成溫差熱電偶的測(cè)量誤差的絕對(duì)值)τ1時(shí)間(指溫差熱電偶第一次測(cè)量溫差的時(shí)刻)τ2時(shí)間(指溫差熱電偶第二次測(cè)量溫差的時(shí)刻)
請(qǐng)參見圖1所示，本發(fā)明的一種能夠直接測(cè)量對(duì)流換熱表面對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，由殼體1(用不銹鋼材料制成“U”形)、測(cè)溫圓片2(較簿，一般用厚度小于1mm的銅片或不銹鋼片加工)、加熱膜3、絕熱體4、第一熱電偶5、第二熱電偶6、加熱引線7和測(cè)量?jī)x表8構(gòu)成，加熱膜3、絕熱體4、第一熱電偶5安裝在殼體1內(nèi)，測(cè)溫圓片2安裝在殼體1頂部構(gòu)成殼體1的蓋板。測(cè)溫圓片2的背面設(shè)有加熱膜3，加熱膜3的兩端連接有正極加熱引線701和負(fù)極加熱引線702，正極加熱引線701和負(fù)極加熱引線702另一端連接在測(cè)量?jī)x表8上。加熱膜3與殼體1底部之間填充有絕熱體4。第一熱電偶5的測(cè)溫端與測(cè)溫圓片2接觸，第一熱電偶5的正極接線端與第二熱電偶6的正極接線端連接，第一熱電偶5的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表8連接，第二熱電偶6的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表8連接，第二熱電偶6的測(cè)溫端與流體接觸。測(cè)量?jī)x表8內(nèi)至少設(shè)有供電電源，供電電源可以是干電池也可以是與外部電源連接的電源芯片，只要能夠輸出4V～6V電壓即可。對(duì)于測(cè)量?jī)x表8，也可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集來完成。
在本發(fā)明中，第一熱電偶5和第二熱電偶6的正極相連的方式構(gòu)成溫差熱電偶，其溫差由測(cè)量?jī)x表8測(cè)量。
在本發(fā)明中，第二熱電偶6的測(cè)溫端與流體接觸，第一熱電偶5的測(cè)溫端與加測(cè)溫圓片2接觸。在傳感器工作時(shí)，由設(shè)置于測(cè)量?jī)x表內(nèi)的加熱電源對(duì)加熱膜片瞬間通電加熱，該加熱過程一般在1妙以內(nèi)完成。加熱結(jié)束后，儀表8開始測(cè)量由第一熱電偶5和第二熱電偶6測(cè)得的圓片和流體的溫差t1-t∞，并記錄此時(shí)的時(shí)刻為τ1，當(dāng)儀表8測(cè)量由第一熱電偶5和第二熱電偶6測(cè)得的圓片和流體的溫差滿足(3)式時(shí)，記錄此時(shí)的時(shí)刻為τ2，并輸出給測(cè)量?jī)x表8內(nèi)的測(cè)試公式(2)進(jìn)行計(jì)算，即得到顯示于測(cè)量?jī)x表8上的對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行下一個(gè)測(cè)試。請(qǐng)參見圖2所示。對(duì)于在測(cè)試過程中，公式(3)、公式(4)是經(jīng)本專利申請(qǐng)的發(fā)明人推導(dǎo)并論證的最佳測(cè)量方法及結(jié)果，按公式(3)的要求測(cè)量，所得的對(duì)流換熱系數(shù)誤差最小，公式(3)是設(shè)定在測(cè)量?jī)x表8內(nèi)部的。當(dāng)?shù)诙犭娕?和第一熱電偶5將所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸入測(cè)量?jī)x表8中時(shí)，測(cè)量?jī)x表8便進(jìn)行按設(shè)定的順序、計(jì)算規(guī)則計(jì)算輸出的對(duì)流換熱系數(shù)。
本發(fā)明的傳感器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，有效地解決在復(fù)雜環(huán)境(如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)部)對(duì)流換熱表面尤其是復(fù)雜表面對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)量問題，可以直接得到對(duì)流換熱表面的對(duì)流換熱系數(shù)，而不必進(jìn)行繁瑣的溫度場(chǎng)測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種能夠直接測(cè)量對(duì)流換熱表面對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)試方法，其特征在于當(dāng)傳感器安裝于被測(cè)表面，并對(duì)傳感器的測(cè)溫圓片(2)瞬間加熱后，對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)試式為α=ρcV(τ2-τ1)Flnt1-t∞t2-t∞]]>其第一熱電偶(5)和第二熱電偶(6)在τ1時(shí)刻測(cè)得的測(cè)溫圓片(2)和流體的溫差為t1-t∞，在另一時(shí)刻τ2第一熱電偶(5)和第二熱電偶(6)測(cè)得的測(cè)溫圓片(2)和流體的溫差t2-t∞滿足t2-t∞＝0.33(t1-t∞)時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)誤差最小，為δαα=4.07(δtt1-t∞)]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)試方法，其特征在于所述的第一熱電偶(5)和第二熱電偶(6)組成的溫差熱電偶在τ1與τ2的時(shí)間間隔為5秒～60秒。
3.一種能夠直接測(cè)量對(duì)流換熱表面對(duì)流換熱系數(shù)的傳感器，包括測(cè)量?jī)x表(8)，測(cè)量?jī)x表(8)內(nèi)至少設(shè)置有供電電源，其特征在于包括殼體(1)、測(cè)溫圓片(2)、加熱膜(3)、絕熱體(4)、第一熱電偶(5)、第二熱電偶(6)、正極加熱引線(701)和負(fù)極加熱引線(702)，加熱膜(3)、絕熱體(4)、第一熱電偶(5)安裝在殼體(1)內(nèi)，測(cè)溫圓片(2)安裝在殼體(1)頂部構(gòu)成殼體(1)的蓋板；測(cè)溫圓片(2)的背面鍍有加熱膜(3)，加熱膜(3)的兩端上連接有正極加熱引線(701)和負(fù)極加熱引線(702)，正極加熱引線(701)和負(fù)極加熱引線(702)的另一端連接在測(cè)量?jī)x表(8)的供電電源上；加熱膜(3)與殼體(1)底部之間填充有絕熱體(4)；第一熱電偶(5)的測(cè)溫端與測(cè)溫圓片(2)接觸，第一熱電偶(5)的正極接線端與第二熱電偶(6)的正極接線端連接，第一熱電偶(5)的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表(8)連接，第二熱電偶(6)的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表(8)連接，第二熱電偶(6)的測(cè)溫端與流體接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，其特征在于所述的第一熱電偶(5)和第二熱電偶(6)構(gòu)成溫差熱電偶，其溫差由測(cè)量?jī)x表(8)測(cè)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，其特征在于所述的測(cè)溫圓片(2)是小于1mm厚的銅片或者不銹鋼。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，其特征在于所述的加熱膜(3)可以是光刻不銹鋼加熱片或者電鍍膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，其特征在于所述的殼體(1)為“U”形狀，用不銹鋼材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，其特征在于所述的測(cè)量?jī)x表(8)的供電電源為正極加熱引線(701)和負(fù)極加熱引線(702)輸出4V～6V電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠直接測(cè)量對(duì)流換熱表面對(duì)流換熱系數(shù)的傳感器，該傳感器有一殼體，殼體內(nèi)安裝有加熱膜、絕熱體、第一熱電偶，測(cè)溫圓片安裝在殼體頂部構(gòu)成殼體的蓋板，測(cè)溫圓片的底面鍍有加熱膜，加熱膜上連接有加熱引線，加熱引線另一端連接在測(cè)量?jī)x表上，加熱膜與殼體底部之間填充有絕熱體，第一熱電偶的測(cè)溫端與測(cè)溫圓片接觸，第一熱電偶的正極接線端與第二熱電偶的正極接線端連接，第一熱電偶的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表連接，第二熱電偶的負(fù)極接線端與測(cè)量?jī)x表連接，第二熱電偶的測(cè)溫端與流體接觸。本發(fā)明是基于傳熱學(xué)的基本理論而設(shè)計(jì)的對(duì)流換熱系數(shù)傳感器，它可以直接得到被測(cè)物體表面的對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)據(jù)，也可以用于測(cè)量對(duì)流換熱表面的對(duì)流換熱熱流，可廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。
文檔編號(hào)G01N25/18GK1588023SQ20041007433
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者徐國(guó)強(qiáng), 陶智, 丁水汀 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)