热阻式热流传感器校准用热板设计与仿真

孙富韬 王阔传 韩 琪 魏 敏 卢 超 刘丹宁

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.北京航天发射技术研究所，北京 100076；3.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

1 概 述

热阻式热流传感器作为一种检测热流的元件，具有易弯曲、体积小、灵敏度大、重量轻、可长时间使用等优点，在测量小热流方面，尤其是热传导式热流，具有极大的优势。热阻式热流传感器在出厂前或使用一段时间以后都要进行校准。保护热板法是国际上通用的校准热阻式热流传感器的方法之一。

北京航天计量测试技术研究所针对热阻式热流传感器建立了一套基于保护热板法的校准装置。保护热板装置的设计核心在于热板的设计，保证热板产生的热流均匀的穿过被校传感器后完全作用于冷板上。本文根据国际和国内标准对保护热板装置提出的要求，并在参考国内外相关装置结构功能的基础上，着重对装置的热板设计部分进行介绍。

2 保护热板法基本原理

保护热板法是基于无限大平板的单向稳定传热原理，装置可产生一个一维的均匀热流，其热流和温度均可调节。校准装置的结构如图1所示：

图1 保护热板法校准热流传感器结构示意图

保护热板法校准装置主要由主热板、保护热板、底部保护热板、冷板、绝热材料构成。其工作原理为：工作时，将被校热流传感器放在主热板一侧，主热板由导热系数较高的材料制成，通过主加热器进行加热。冷板由恒温水控制温度。主热板两侧外加两个保护热板，底部外加一个保护热板，均通过保护加热器进行加热。根据不同的校准要求确定主加热器的加热功率，并同时调节保护加热器功率，使保护热板的温度

t

3、

t

4、

t

5和主热板的温度

t

1一致。此时主热板的热量不能向底部及周围流失，唯一可以传递的方向是通过热流传感器向冷板传递，从而在热板和冷板之间形成一个稳定的一维热流场。主热板所发出的热流均匀垂直地通过热流传感器，热流密度可以计算得到：

(1)

式中：

q

——热流密度,W/m；

A

—中心热板的面积，m；

U

—中心热板加热器电压，V；

I

—通过加热器的电流，A。

工作时，根据被校热流传感器的量程，对主加热器采用稳压电源进行供电。供电后，主热板温度不断升高。此时，由于保护加热没有供电，其与主热板有温差，这个温差信号被送入温度跟踪控制器，控制器根据温差大小调节保护加热器的供电电压大小，使保护热板的温度随主热板一起升高。温度跟踪调节控制器中装有PID调节器，使其温度跟踪可靠、平稳。最终，主热板和保护热板的温度相等而不随时间变化，进入稳定状态。此时，由稳压电源供给主热板的电能转化为热能后，可以完全而且是垂直均匀的流出热板面，通过热流传感器流到冷板，于是在热板和冷板之间建立了一个一维的稳定热流场。

保护热板法校准的优点是校准准确度高，经过绝对法校准的热流计可以作为标准热流计去校准其他热流计。

3 热板方案选择

3.1 电热云母加热平板

电热膜是近年来新兴的一种电热元件，它是吸取了PTC正温度系数导电材料和导电涂料两种电热元件的特点制造而成的，按其固化成膜的方式又可分为两种：高温固化成膜的，通常称为电热膜；常温固化成膜的，称为电热涂料。

电热膜的常见结构是在绝缘材料表面经过一定的工艺加工后，在绝缘材料表面形成一层导电薄膜。导电粒子在绝缘层的表面形成网状晶格结构，薄膜中加入的助剂可以调节电热膜功率。通电后，这层薄膜就可以实现电和热量的转换，转换效率可达90%以上。

热膜与传统电热元件相比，有以下几个独特的优点：自限温特性，温度均匀；热惯性小，便于控温；面状发热，热效率高，节能省电；温度低，使用寿命长。

在实际的测试中发现，因为加工精度等因素，造成电热膜云母加热板在50℃下温度均匀性约为±0.5℃，不能满足本项目使用需求。

3.2 聚酰亚胺金属薄膜电热元件

聚酰亚胺金属薄膜电热元件也是电热膜的一种，是将厚度为(0.02～0.1)mm的镍铬箔采用蚀刻的方式加工成一定的形状，然后以聚酰亚胺为绝缘材料包覆在金属薄膜的表面。聚酰亚胺金属薄膜电热元件结构示意图如图2所示。与传统的电加热元件比较，金属电热膜具有以下的优点：

图2 聚酰亚胺金属薄膜电热元件结构示意图

a)所占空间极小；重量极轻；厚度极薄(一般小于0.1mm)；

b)极其柔软，其最小弯曲半径仅为0.8mm左右；

c)形状灵活，尤其适合于制作各种面积的柔性电热膜元件；

d)热惯量小，温度控制精度高，速度快。

但目前该材料长期工作最高温度只能维持在180℃以内，不能满足本装置需求。

3.3 一体化离心浇铸式加热平板

在本方案中，加热平板的电热元件为弯曲成型的电热管，电热管的基本结构为把电热丝装入金属管中，填入经防潮处理的氧化镁一类高绝缘高导热的填料，留出接线端后封口处理，这种电热元件是电热丝发热元件的改进，使用寿命较长，安全性能较好。

选择的一体化离心浇铸式铝材料加热平板是一种高效热分部均匀的加热器，热导性良好的铝合金，确保热面温度均匀，消除了设备的热点及冷点。主要优点有：

a)作为发热体的电热元件被铸造在金属体中，金属导热性能比空气好，板面面积比电热管面积大得多，这样使热交换面积大增加，电负荷显著降低，从而发热面温度降低；

b)由于管状电加热器被铸造在金属体中，其机械强度高，发热体不怕氧化，使用寿命极长，在正常的设计、制造和使用条件下，它的使用寿命长；

c)铸造式辐射电热板外形结构简单，在日常生产中易于清洁维护；电热元件的安装排列都十分方便。

因此，在本项目中采用浇注的方式设计加热板。

4 热板温度场仿真

对加热平板温度场进行仿真。由于加热板整体为对称结构，因此只对其半边模型进行仿真。选取加热板工作范围上下限温度点50℃、300℃。边界条件设置为加热板四周受自然对流和辐射换热影响，隔热槽中只受辐射换热影响。根据环境条件及材料属性，对流系数为5W/(mm·K)，环境温度为25℃，发射率为0.2。

基于ANSYS WORKBENCH平台进行仿真计算分析，同时利用Origin对均热板表面温度数据进行作图，可直观的看出热板表面温度分布。

图3 热板布局结构图

分析可知热板达到稳定状态后，热板中心加热板上表面温度分布均匀，证明热板结构设计满足校准需求。

图4 50℃ ANSYS WORKBENCH仿真结果

图5 50℃ Origin均热板温度分布

图6 300℃ ANSYS WORKBENCH 仿真结果

图7 300℃ Origin均热板温度分布

5 结束语

保护热板法作为一种绝对法用来校准热阻式热流传感器被广泛使用，该装置设计的核心在于热板的设计，使主热板产生的热流均匀的穿过被校传感器后完全作用于冷板上，满足一维稳定热流的条件。本装置通过对比不同的热板设计方案，最终确定采用一体式浇注的方式进行热板设计，通过有限元软件对热板结构进行分析，结果表明热板结构可满足校准装置对温度均匀度的要求。