導熱熱流計熱阻式熱流傳感器的工作原理當熱流通過平板狀的熱流傳感器時，傳感器熱阻層上產生溫度梯度，根據傅立葉定律可以得到通過熱流傳感器的熱流密度（W/m2）為 q=-λ?t?x式中?t?x——垂直于等溫面方向的溫度梯度，λ——熱流傳感器材料的導熱系數，W/（m·℃）。式中負號表示熱流密度方向與溫度梯度方向相反。若熱流傳感器的兩側平行壁面，各保持均勻穩定的溫度t和t+?t，熱流傳感器的高度與寬度遠大于其厚度，則可以認為沿高與寬兩個方向溫度沒有變化，而僅沿厚度方向變化，對于一維穩定導熱，可將上式寫為 q=-λ?t?式中?t——兩等溫面溫差，?x——兩等溫面之間的距離，m。由REF_Ref25249\h式（2）可知，如果熱流傳感器材料和幾何尺寸確定，那么只要測出熱流傳感器兩側的溫差，即可得到熱流密度。根據使用條件，選擇不同的材料做熱阻層，以不同的方式測量溫差，就能做成各種不同結構的熱阻式熱流傳感器。如果用熱電偶測量上述溫差△t，并且所用熱電偶在被測溫度變化范圍內，其熱電勢與溫度呈線性關系時，其輸出熱電勢與溫差成正比，這樣通過熱流傳感器的熱流為 q=λEC'δ= E=C'Δt式中C——熱流傳感器系數，C=λC’δ，C'——熱電偶系數；δ——熱流傳感器厚度,m；E——熱電勢，mV。C值反映了熱流傳感器的靈敏度。高熱阻型傳感器δ/λ值大，C值大，低熱阻型傳感器反之。在測傳熱工況非常穩定的情況下，高熱阻型熱流傳感器易于提高測量精度及用于小熱流量測量。但是由于高熱阻型熱流傳感器比低熱阻型熱流傳感器熱惰性大，這使得熱流傳感器的反應時間增加。如果在傳熱工況波動較大的場合測定，就會造成較大的測量誤差。熱流傳感器的種類很多，早期的熱量傳感器采用的是繞線式結構（REF_Ref26153\h圖1）。常用的有用于測量平壁面的板式（WYP型）和用于測量管道的可撓式（WYR型）兩種。平板熱流傳感器是由骨架、熱電堆片及引線柱等組成。外形尺寸一般為130×130×1（mm）。熱電堆片是由很多對熱電偶串聯繞在芯板上組成（REF_Ref26192\h圖2）。平板熱流傳感器（b）可撓式熱流傳感器圖1熱流傳感器的結構圖1—骨架；2—熱電堆片；3—引線柱圖2熱電堆片示意圖1—芯板；2—熱電偶接點；3—熱電極材料A；4—熱電極材料B由熱電偶原理可知，總熱電勢等于各分電勢疊加。因此當有微小熱流通過熱電堆片時，雖然芯板兩面溫差?t很小，但也會產生足夠大的熱電勢，以利于顯示出熱流量的數值，并達到一定的精度。熱電堆的引出線相互串聯，二端頭焊于引線柱上，最后在表面貼上滌綸薄膜作為保護層。繞線式熱量傳感器由于手工制作，各傳感器特性之間一致性差，分辨率較低，量程范圍小。隨著對高精度熱流測量的需求，20世紀60年代末開始出現利用半導體材料制作熱流傳感器；由于采用半導體制造工藝，使得各熱流傳感器的一致性和性能（如工作溫度、量程、分辨率和響應時間）得以大幅提高，量程范圍增大。20世紀90年代中開始，采用大規模集成電路制造工藝制造熱流傳感器，出現具有更高測量精度的薄膜熱流傳感器，以滿足更高精度測量的需要，使對微小熱量變化的測量成為可能。熱流傳感器產生的熱電勢E，早期采用電位差計、動圈式毫伏表以及數字式電壓表進行測量，利用REF_Ref26702\h式（3）求出熱流。近些年出現的高精度數字式記錄儀表或數據采集系統，不但可以直接顯示測量的熱流、顯示數據曲線、打印報告等，還可以同時測量構件不同表面的溫度，進而得出構件的熱阻。多通道熱流計是常用的數字式熱流記錄儀表，可以連接多個不同規格、類型的熱流傳感器。使用多通道熱流計時，往往需要輸入連接的傳感器靈敏度C值或傳感器分辨率1/C，儀器根據連接的傳感器靈敏度或傳感器分辨率，將輸入電壓值轉化為熱流值。熱流傳感器的校準熱流傳感器系數C表示的是：當熱流傳感器有單位熱電勢輸出時，垂直通過其敏感元件的熱流密度。當λ和C’值不受溫度影響為定值時，C為常數。實際上熱流傳感器系數C對于給定的熱流傳感器不是一個常數，而是工作溫度的函數。由于組成熱流傳感器的熱電堆的材質、加工工藝等都會影響熱流傳感器系數C，因此每個熱流傳感器都必須分別校準。在常溫范圍內工作的熱流傳感器，校準的C值實際上可視為儀器常量，對測量不會造成很大誤差。但用于測量冷庫壁面熱流時，由于工作溫度遠離標定時溫度，實際的C值會低于原標定值；另外由于工作條件發生變化，將出現結露等復雜情況，如果不重新校準，會造成較大的測量誤差。由REF_Ref26702\h式（3）可知，為了測定熱流傳感器系數C值，必須建立一個穩定的具有確定方向（單向或雙向）的一維熱流。熱流傳感器的校準方法有多種，常用的校準方法有平板直接法、平板比較法。1）絕對法絕對法也稱為平板直接法。絕對法校準裝置由加熱單元（包括中心計量板與用絕熱材料制造的保護環）、冷卻單元（冷板）和測量系統等組成（REF_Ref29079\h圖3）。被校準的熱流傳感器放置在加熱單元與冷卻單元之間，熱流傳感器周圍放置一個與熱流傳感器厚度相同，由絕熱材料制造的平均熱阻接近的保護環。熱流傳感器與保護環組合的尺寸與加熱單元相同中心計量板用穩定的直流加熱，冷板是一恒溫水套。根據不同的工況確定中心加熱器的加熱功率和恒溫水的溫度，調整保護環加熱器的加熱功率，使保護環表面的溫度和中心計量板表面的溫度一致，從而就在計量板和冷板之間建立起一個垂直于冷板和計量板（也垂直于熱流計）的穩定的一維熱流場。中心計量板的主加熱器所發出的熱流均勻垂直地通過熱流傳感器，熱流密度可由下式求得 q=QF 式中Q——熱流密度，W/m2；Q——中心計量板平均發熱功率，W；F——中心熱板面積，m2。（a）雙試件（b）單試件圖3平板直接法原理圖A—中心計量板；B—保護環；C—冷板；D—熱流傳感器；E—傳感器保護圈；F—背保護板；M—保溫板；ti，k2—熱板表面熱電偶；t3，t4—熱流傳感器表面熱電偶；ts，ta核，圖中未提及—冷板表面熱電偶；核，圖中未提及ty—背保護板表面熱電偶核核如果熱流傳感器兩個復合板（熱流傳感器與保溫層）的溫差差異小于±2%，可以近似認為熱流傳感器兩個復合板的溫差相同，雙試件中心計量板平均發熱功率及熱流傳感器系數按照REF_Ref30072\h式（6）—REF_Ref30085\h式（8）計算。 Q=RI22 C1=qE1 C2=qE2式中C1，C2——被校準的熱流傳感器的系數，W/（m2·mV）；R——中心計量板的加熱電阻，Ω；I——通過中心計量板的加熱器的電流，A；E1，E2——熱流傳感器1和2輸出的熱電勢，mV。單試件中心計量板平均發熱功率及熱流傳感器系數按照REF_Ref30761\h式（9）及REF_Ref30784\h式（10）計算。 Q=RI2 C=qE 在校準時，應保證冷板、中心計量板之間的溫差為10～40℃。進入穩定狀態后，每隔30min連續測量熱流計和保溫板兩側溫差、輸出電勢及熱流密度。4次測量結果的偏差小于1%，且不是單方向變化時，校準結束。2）比較法平板比較法，簡稱比較法，其校準裝置由加熱板、冷板和測量系統等組成（REF_Ref25751\h圖4）。把待校準的熱流傳感器放在兩塊經絕對法標定的熱流傳感器之間，每塊熱流傳感器的周圍放置一個與熱流傳感器厚度相同、由絕熱材料制造的平均熱阻接近的保護環。熱流傳感器與保護環組合的尺寸與加熱板相同。加熱板用穩定的直流加熱，冷板是一恒溫水套。圖4平板比較法原理圖A—加熱板；B—待標熱流傳感器；C—冷板；C1，C2—標準熱流傳感器；E—傳感器保護環；H—保溫板；t—表面溫度根據不同的工況確定加熱板的加熱功率和恒溫水的溫度，調整保護環加熱器的加熱功率，使保護環表面的溫度和熱流傳感器表面的溫度一致，從而就在加熱板和冷板之間的中心區域建立起一個單向穩定的一維熱流場，該熱流均勻穿過標準熱流傳感器和被校熱流傳感器。測量標準熱流傳感器和被校準的熱流傳感器輸出電勢，利用REF_Ref26123\h式（11）確定被校準的熱流傳感器的系數C。校準時的具體要求與絕對法相同。 C=qE=C式中C，C1，C2——分別為被校準的熱流傳感器的系數和標準熱流傳感器的系數，W/（E1，E2——標準熱流傳感器輸出電勢，mV；E——被校準的熱流傳感器輸出電勢，mV。用絕對法校準，校準系數的不確定度優于±3%，重復性優于±2%。用比較法校準，校準系數的不確定度優于±5%，重復性優于±2%。用絕對法或比較法進行校準，若對校準結果有異議，以絕對法的校準結果為準。熱阻式熱流計的使用在使用熱流計時，除了合理地選用儀表的量程范圍，允許使用溫度、傳感器的類型、尺寸、內阻等有關參數外，還要注意正確的使用方法，否則會引起較大的誤差（附錄5）。在使用熱流計前，應檢查傳感器的熱流感知面和表面是否干凈，是否有劃損，若熱流感知面和表面是臟的，測試前需要使用酒精棉清潔干凈，待表面干燥后，再進行測試。熱流傳感器的安裝有三種方法：埋入式、表面粘貼式和空間輻射式（REF_Ref9752\h圖5）。埋入式和表面粘貼式是熱阻式熱流傳感器常用的兩種安裝方法。被測物體表面的放熱狀況與許多因素有關，被測物體的散熱熱流密度與熱流測點的幾何位置有關。對于水平安裝有均勻保溫層的圓形管道，保溫層底部的熱流密度最低，保溫層側面熱流密度略高于底部，保溫層上部熱流密度比下部和側面大得多（REF_Ref9788\h圖6）。在這種情況下，測點應選在能反應管道截面上平均熱流密度的位置，一般選在截面上與管道水平中心線夾角約為45°和135°處。最好在同截面上選幾個有代表性位置進行測量，與所得到的平均值進行比較，從而得到合適的測試位置。對于垂直平壁面和立管也可作類似的考慮，通過測試找出合適的測點位置。圖5圓形截面管道保溫層1—埋入式；2—表面粘貼式；3—空間輻射式圖6熱流傳感器的安裝方法表面放熱狀況熱流傳感器表面為等溫面，安裝時應盡量避開溫度異常點。熱流傳感器表面應與所測壁面緊密接觸，不得有空隙并盡可能與所測壁面平齊，如果熱源的溫度過高，使用適當的絕熱工具粘貼和壓緊。為此常采用膠液、石膏、黃油、凡士林等粘貼熱流傳感器。對于硅橡膠可撓式熱流傳感器，可以采用雙面膠紙。有條件時，應采用埋入式安裝（REF_Ref100