專利名稱：一種熱流密度測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱流密度測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種熱流密度測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
在傳熱領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究中，通過測(cè)量壁的熱流密度進(jìn)而獲得流體側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)或輻射換熱系數(shù)(或稱為輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))是一種研究換熱特性的主要方法。如對(duì)各種管件壁的熱流密度測(cè)量是推導(dǎo)其內(nèi)部流體換熱規(guī)律的主要途徑；在核電領(lǐng)域中，對(duì)壓力容器或壓力管道壁熱流密度特點(diǎn)和換熱特性的研究，是核反應(yīng)堆安全分析試驗(yàn)研究的重要部分；對(duì)安注箱內(nèi)兩相流體的換熱性能研究是分析熱分層現(xiàn)象的主要手段 ，大型鍋爐水冷壁和大型金屬熔融系統(tǒng)的熱流密度分析都是決定設(shè)備或系統(tǒng)性能的主要因素。然而，無論對(duì)于高溫高壓狀態(tài)、還是常溫或普冷區(qū)溫度和壓力狀態(tài)的氣流，熱流密度的精確測(cè)量一直是傳熱試驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用中最棘手的問題之一。因此，開發(fā)一種壁熱流密度的精確測(cè)量技術(shù)，無論對(duì)傳熱領(lǐng)域科學(xué)研究還是實(shí)際工程應(yīng)用或工程試驗(yàn)都具有極其重要意義。在熱流密度測(cè)量方面，已經(jīng)存在許多測(cè)量固體壁熱流密度的計(jì)量裝置和方法。如發(fā)明I (專利申請(qǐng)?zhí)?201010124574)和發(fā)明2 (專利申請(qǐng)?zhí)?8805407. 8)提出的薄膜式熱流密能較精確測(cè)量壁熱流密度。發(fā)明3 (專利申請(qǐng)?zhí)?00610028865. 4)和發(fā)明4 (專利申請(qǐng)?zhí)?00410026343. I)則給出了一種根據(jù)熱流密度特點(diǎn)，間接測(cè)量墻體平均導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)方法。發(fā)明5(專利申請(qǐng)?zhí)?00910021343. 5)的熱流密度計(jì)是采用熱電偶直接測(cè)量溫差的方法，測(cè)量高溫、高壓狀態(tài)下的熱流密度。發(fā)明6 (專利申請(qǐng)?zhí)?00610009794. 3)則給出了一種適用于超高溫、強(qiáng)電和大干擾流場(chǎng)環(huán)境下熱量密度的測(cè)量方法及測(cè)量裝置。通過對(duì)已有文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)壁熱流密度測(cè)量的方法中，主要采用熱電偶元件測(cè)溫，獲得溫度或溫差的形式，根據(jù)傅立葉定律間接推導(dǎo)熱流密度是普遍采用的方法。然而，針對(duì)性的工業(yè)領(lǐng)域如核電站的壓力容器、大型供熱鍋爐水冷壁和發(fā)電機(jī)組等器壁熱流密度的大小決定了其傳熱特性和針對(duì)換熱特性的工程設(shè)計(jì)。此外，較大的熱流密度偏差可能引發(fā)核電嚴(yán)重事故，如大型壓水堆熱量載出系統(tǒng)在傳熱性能較差時(shí)會(huì)使冷卻劑汽化。因此，無論對(duì)于高溫高壓流體流動(dòng)還是常溫或普冷區(qū)的流體流動(dòng)中存在的換熱問題，其熱流密度測(cè)量非常關(guān)鍵。然而，在一些測(cè)量方法上，如上述的發(fā)明I、發(fā)明5和發(fā)明6，在安裝測(cè)量裝置后必然改變壁面附近的流體流場(chǎng)或采用其他材料改變測(cè)量壁面處的熱流密度，導(dǎo)致不可估量的測(cè)量誤差，誤差甚至遠(yuǎn)大于裝置本身的測(cè)量誤差。同時(shí)，建筑墻體的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法嚴(yán)重破壞流場(chǎng)、并增設(shè)熱源，不適用于對(duì)壁熱流密度的測(cè)量。此外，熱電偶本身的誤差也是制約提高熱流密度測(cè)量精度的重要因素之一。

發(fā)明內(nèi)容
為準(zhǔn)確測(cè)量流體在壁面處換熱的熱流密度，對(duì)傳熱基礎(chǔ)試驗(yàn)研究和廣泛的工程應(yīng)用提供便利測(cè)量手段和測(cè)量工具，本發(fā)明以提高測(cè)量熱流密度精度為目的，針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法的不足，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)熱流密度測(cè)量的精度和靈敏度低特點(diǎn)，提出一種簡(jiǎn)單而又可以在較廣泛的工業(yè)領(lǐng)域和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中應(yīng)用的測(cè)量裝置及方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種熱流密度測(cè)量裝置，包括多個(gè)熱電偶和管，其中管在被測(cè)壁的厚度方向上形成封閉空腔，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶結(jié)點(diǎn)被如此埋置以使得在被測(cè)壁的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)，與熱電偶結(jié)點(diǎn)相連的熱電偶線被弓I入管的空腔內(nèi)并且經(jīng)由管從被測(cè)壁中弓I出，其中被測(cè)壁厚度方向的熱流密度通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種熱流密度測(cè)量方法，包括將管插入被測(cè)壁中使之在被測(cè)壁的厚度方向上形成封閉空腔；埋置多個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)以使得在被測(cè)壁的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)；將與熱電偶的結(jié)點(diǎn)相連的熱電 偶線引入所述管的空腔內(nèi)并且經(jīng)由所述管從被測(cè)壁中引出；以及通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出被測(cè)壁厚度方向的熱流密度。


在閱讀結(jié)合以下附圖所描述的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更清楚地理解本發(fā)明的原理。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱流密度測(cè)量裝置。圖2a_2c分別示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三種熱流密度測(cè)量裝置。圖3a_3c分別示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三種熱流密度測(cè)量裝置。圖4a_4b示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由兩個(gè)熱電偶構(gòu)成的熱電偶組中熱電偶的連接方式，其中圖4a示出熱電偶的并聯(lián)連接方式，并且圖4b示出熱電偶的串聯(lián)連接方式。圖5a_5b示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由四個(gè)熱電偶構(gòu)成的熱電偶組中熱電偶的連接方式，其中圖5a示出熱電偶的并聯(lián)連接方式，并且圖5b示出熱電偶的串聯(lián)連接方式。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱流密度測(cè)量方法。
具體實(shí)施例方式在以下具體實(shí)施方式
中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。圖I示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱流密度測(cè)量裝置100。該熱流密度測(cè)量裝置100包括多個(gè)熱電偶和管2，每個(gè)熱電偶由熱電偶結(jié)點(diǎn)3和與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的熱電偶線I構(gòu)成，其中管2在被測(cè)壁8的厚度方向上形成封閉空腔7，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶結(jié)點(diǎn)3被如此埋置以使得在被測(cè)壁8的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)3，與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的熱電偶線I被引入管2的空腔內(nèi)并且經(jīng)由管2從被測(cè)壁8中引出，這樣被測(cè)壁8厚度方向的熱流密度就能夠通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出。其中管2能夠起到保護(hù)引入小孔的熱電偶線I并保證熱電偶線I安全引出的作用。在圖I所示的熱流密度測(cè)量裝置100中，其熱電偶結(jié)點(diǎn)3位于同一待測(cè)深度的熱電偶被布置成一個(gè)熱電偶組，每個(gè)熱電偶組由一個(gè)熱電偶組成，該一個(gè)熱電偶的熱電偶線I直接形成正極端點(diǎn)ΙΙ-a和負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b。雖然圖I僅示出在每個(gè)熱電偶組中存在一個(gè)熱電偶的情形，即在同一待測(cè)深度處僅埋置了一個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到，可以根據(jù)測(cè)量精度的需要在同一待測(cè)深度處埋置多個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)，而該多個(gè)熱電偶的熱電偶線I可以通過并聯(lián)或串聯(lián)來形成正極端點(diǎn)ll_a和負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b,例如圖4a-4b和圖5a_5b分別示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由兩個(gè)熱電偶構(gòu)成的熱電偶組和由四個(gè)熱電偶構(gòu)成的熱電偶組中熱電偶的連接方式，其中圖4a、5a示出熱電偶的并聯(lián)連接方式，并且圖4b、5b示出熱電偶的串聯(lián)連接方式。串聯(lián)使用熱電偶的精度比單個(gè)熱電偶要高，輸出的熱電勢(shì)為所串聯(lián)的各個(gè)熱電偶所輸出的熱電勢(shì)之和，這在儀表靈敏度及分辨率不高的情況下使用時(shí)有利的。而并聯(lián)使用熱電偶的精度同樣比單個(gè)熱電偶要高，在各熱電偶的電阻值相等的情況下，并聯(lián)熱電偶所輸出的總電動(dòng)勢(shì)為所并聯(lián)的各個(gè)熱電偶所輸出熱電動(dòng)勢(shì)的平均值，從而相比單個(gè)熱電偶提高了測(cè)量精度。在圖I所示的熱流密度測(cè)量裝置100中，不同熱 電偶組之間通過負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b與負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b之間直接連接來形成熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4，包括4-a、4-b和4-C，通過測(cè)量各熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4之間的電勢(shì)差并且通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件來得到各待測(cè)深度之間的溫差。具體地，測(cè)量熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4-a與4-b之間的電勢(shì)差Λ Eab和熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4-a與4_c之間的電勢(shì)差Λ Ea。，根據(jù)Λ Eab通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件等可得靠被測(cè)壁外側(cè)的待測(cè)深度處的溫度，然后再根據(jù)該溫度和Λ Ea。，通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件得到靠被測(cè)壁內(nèi)外側(cè)的兩個(gè)待測(cè)深度之間的溫差。然后，基于溫差，利用傅立葉定律就可得到被測(cè)壁8厚度方向上的熱流密度。與直接測(cè)量每個(gè)熱電偶組的正極端點(diǎn)ΙΙ-a和負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b所輸出的熱電勢(shì)差來得到與該熱電偶組對(duì)應(yīng)的待測(cè)深度處的溫度并進(jìn)而得到不同待測(cè)深度的溫度差的方式相比，通過上述方式所得到的熱流密度的誤差得以減小。在圖I所示的熱流密度測(cè)量裝置100中，管2從被測(cè)壁8的外表面6垂直插入被測(cè)壁8，該管2的封閉底面10與被測(cè)壁8的內(nèi)表面9相平，管2的封閉頂面5與被測(cè)壁8的外表面6相平并在封閉頂面5上為熱電偶線I預(yù)留小孔，管2的封閉底面10與封閉頂面5之間的封閉空腔內(nèi)充滿空氣，或填充以隔熱材料，例如導(dǎo)熱系數(shù)不大于O. 05 ff/(m*K)的導(dǎo)熱材料。在圖I所示的熱流密度測(cè)量裝置100中，熱電偶結(jié)點(diǎn)3被埋置于在被測(cè)壁8內(nèi)，不過本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，所述熱電偶結(jié)點(diǎn)3也可以被埋置于管2的管壁內(nèi)。此外圖I僅示出了兩個(gè)熱電偶組，即僅在兩個(gè)待測(cè)深度處布置有熱電偶，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到，可以根據(jù)需要在三個(gè)或更多待測(cè)深度處布置熱電偶。在圖I所示的熱流密度測(cè)量裝置100中，所述管2可以為金屬管(如銅管)或陶瓷管或用與被測(cè)壁8材料導(dǎo)熱系數(shù)相同的材料制成的管，但不限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到采取其他適當(dāng)?shù)牟牧现圃旃?。此外，在圖I所示的熱流密度測(cè)量裝置100中，在形成正極端點(diǎn)和負(fù)極端點(diǎn)時(shí)，可以選用熱電偶線直接形成熱電偶端點(diǎn)，或者可以選用將熱電偶線與補(bǔ)償導(dǎo)線相連接，然后經(jīng)由補(bǔ)償導(dǎo)線形成熱電偶端點(diǎn)。此外，對(duì)于在圖I所示的熱流密度測(cè)量裝置100而言，為提高其測(cè)量精度，可在金屬管或陶瓷管的封閉空腔適當(dāng)位置處存留一定長(zhǎng)度的熱電偶線。這是因?yàn)闊犭娕季€從被測(cè)壁引出而直接暴露在與壁面溫度相差較大的流體環(huán)境下，就會(huì)有大量的熱量從壁面?zhèn)鞒?，從而?dǎo)致熱電偶結(jié)點(diǎn)處的溫度不再是真實(shí)溫度，為此可以將與熱電偶結(jié)點(diǎn)相連接的熱電偶線部分在封閉空腔內(nèi)存留一部分，以緩解這種影響。作為補(bǔ)充或替換，可以將從被測(cè)壁引出的熱電偶線封閉在腔體中(無對(duì)流換熱、無與外界空氣直接接觸換熱)，被罩住區(qū)域的溫度更接近壁面溫度，因此，與熱電偶線接觸的壁面與其他壁面的溫度相差不大，從而消除或緩解了上述影響。圖2a_2c分別示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三種熱流密度測(cè)量裝置200a、200b和200c。在圖2a所示的熱流密度測(cè)量裝置200a中，包括多個(gè)熱電偶和金屬管2，每個(gè)熱電偶由熱電偶結(jié)點(diǎn)3和與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的熱電偶線I構(gòu)成，其中金屬管2在被測(cè)壁8的厚度方向上形成封閉空腔7，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶結(jié)點(diǎn)3被如此埋置以使得在被測(cè)壁8的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)3，與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的熱電偶線I被引入管2的空腔內(nèi)并且經(jīng)由管2從被測(cè)壁8中引出，這樣被測(cè)壁8厚度方向的 熱流密度就能夠通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出。在圖2a所示的熱流密度測(cè)量裝置中，設(shè)置了兩個(gè)待測(cè)深度，在每個(gè)待測(cè)深度處埋置了兩個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)，熱電偶結(jié)點(diǎn)位于同一待測(cè)深度的熱電偶被布置成一個(gè)熱電偶組，每個(gè)熱電偶組中的兩個(gè)熱電偶的熱電偶線I通過并聯(lián)形成正極端點(diǎn)ΙΙ-a和負(fù)極端點(diǎn)11-b，這種并聯(lián)方式在圖4a中更清楚地示出。不同熱電偶組之間通過負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b與負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b之間直接連接來形成熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4，通過測(cè)量各熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4之間的電勢(shì)差并通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件來得到各待測(cè)深度之間的溫度差。所述金屬管2的直徑例如不小于2_，其優(yōu)選地為銅管，所述金屬管2從被測(cè)壁8的外表面6垂直插入被測(cè)壁8,該金屬管2的封閉底面10與被測(cè)壁8的內(nèi)表面9相平,金屬管2的封閉頂面5與被測(cè)壁8的外表面6相平并在封閉頂面5上為熱電偶線I預(yù)留小孔，金屬管的封閉底面10與封閉頂面5之間的封閉空腔內(nèi)充滿空氣，或填充以隔熱材料，例如導(dǎo)熱系數(shù)不大于O. 05 ff/(m ·Κ)的隔熱材料。熱電偶結(jié)點(diǎn)3被埋置于在被測(cè)壁8內(nèi)且埋置深度不小于例如O. 2_，埋置槽道用與被測(cè)壁8材料的導(dǎo)熱系數(shù)相近的填充材料填平并確保熱電偶結(jié)點(diǎn)3和熱電偶線I埋置穩(wěn)固，與熱電偶結(jié)點(diǎn)3連接的熱電偶線I引入金屬管2內(nèi)，所述熱電偶結(jié)點(diǎn)3與金屬管2外壁面距離不小于3mm。在圖2b所示的熱流密度測(cè)量裝置200b中，包括多個(gè)熱電偶和陶瓷管2，每個(gè)熱電偶由熱電偶結(jié)點(diǎn)3和與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的熱電偶線I構(gòu)成，其中陶瓷管2在被測(cè)壁8的厚度方向上形成封閉空腔7，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶結(jié)點(diǎn)3被如此埋置以使得在被測(cè)壁8的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)3，與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的熱電偶線I被引入管2的空腔內(nèi)并且經(jīng)由管2從被測(cè)壁8中引出，這樣被測(cè)壁8厚度方向的熱流密度就能夠通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出。與圖2a所示的熱流密度測(cè)量裝置類似，在圖2b所示的熱流密度測(cè)量裝置中，設(shè)置了兩個(gè)待測(cè)深度，在每個(gè)待測(cè)深度處埋置了兩個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)，熱電偶結(jié)點(diǎn)位于同一待測(cè)深度的熱電偶被布置成一個(gè)熱電偶組，每個(gè)熱電偶組中的兩個(gè)熱電偶的熱電偶線I通過并聯(lián)形成正極端點(diǎn)ΙΙ-a和負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b。不同熱電偶組之間通過負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b與負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b之間直接連接來形成熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4，通過測(cè)量各熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4之間的電勢(shì)差并通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件來得到各待測(cè)深度之間的溫度差。所述陶瓷管2的直徑例如不小于3mm，其從被測(cè)壁8的外表面6垂直插入被測(cè)壁8，該陶瓷管2的封閉底面10與被測(cè)壁8的內(nèi)表面9相平，陶瓷管2的封閉頂面5與被測(cè)壁8的外表面6相平并在封閉頂面5上為熱電偶線I預(yù)留小孔，陶瓷管的封閉底面10與封閉頂面5之間的封閉空腔內(nèi)充滿空氣，或填充以隔熱材料，例如導(dǎo)熱系數(shù)不大于O. 05 ff/(m · K)的隔熱材料。所述熱電偶結(jié)點(diǎn)3被埋置于陶瓷管的管壁內(nèi)，熱電偶結(jié)點(diǎn)3與被測(cè)壁8的外壁面的距離不小于10mm。在圖2c所示的熱流密度測(cè)量裝置200c中，包括多個(gè)熱電偶和金屬管2，每個(gè)熱電偶由熱電偶結(jié)點(diǎn)3和與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的熱電偶線I構(gòu)成，其中金屬管2在被測(cè)壁8的厚度方向上形成封閉空腔7，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶結(jié)點(diǎn)3被如此埋置以使得在被測(cè)壁8的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)3，與熱電偶結(jié)點(diǎn)3相連的 熱電偶線I被引入管2的空腔內(nèi)并且經(jīng)由管2從被測(cè)壁8中引出，這樣被測(cè)壁8厚度方向的熱流密度就能夠通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出。與圖2a所示的熱流密度測(cè)量裝置類似，在圖2c所示的熱流密度測(cè)量裝置中，設(shè)置了兩個(gè)待測(cè)深度，在每個(gè)待測(cè)深度處埋置了兩個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)，熱電偶結(jié)點(diǎn)位于同一待測(cè)深度的熱電偶被布置成一個(gè)熱電偶組，每個(gè)熱電偶組中的兩個(gè)熱電偶的熱電偶線I通過并聯(lián)形成正極端點(diǎn)ΙΙ-a和負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b。不同熱電偶組之間通過負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b與負(fù)極端點(diǎn)ΙΙ-b之間直接連接來形成熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4，通過測(cè)量各熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)4之間的電勢(shì)差并通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件來得到各待測(cè)深度之間的溫度差。所述金屬管2的直徑例如不小于2mm,其從被測(cè)壁8的外表面6垂直插入被測(cè)壁8,該金屬管2的封閉底面10與被測(cè)壁8的內(nèi)表面9相平，金屬管2的封閉頂面5與被測(cè)壁8的外表面6相平并在封閉頂面5上為熱電偶線I預(yù)留小孔，金屬管的封閉底面10與封閉頂面5之間的封閉空腔內(nèi)充滿空氣，或填充以隔熱材料，例如導(dǎo)熱系數(shù)不大于O. 05 ff/(m · K)的隔熱材料。所述熱電偶結(jié)點(diǎn)3被埋置于金屬管的管壁內(nèi)，熱電偶結(jié)點(diǎn)3與被測(cè)壁8的外壁面的距離不小于2mm。在圖2a_2c所示出的三種熱流密度測(cè)量裝置200a_200c中，熱流密度測(cè)量裝置200a主要用于測(cè)量薄壁熱流密度；熱流密度測(cè)量裝置200b主要用于測(cè)量較厚壁的熱流密度；熱流密度測(cè)量裝置200c主要用于測(cè)量厚壁和較厚壁的熱流密度，在測(cè)量較厚壁的熱流密度時(shí)，測(cè)量裝置200c不如測(cè)量裝置200b精度高。這是由于陶瓷管的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于被測(cè)壁的導(dǎo)熱系數(shù)，而金屬管的導(dǎo)熱系數(shù)大于被測(cè)壁的導(dǎo)熱系數(shù)，在被測(cè)壁表面附近處陶瓷管的溫度與實(shí)際溫度相差較大，相比之下，金屬管的溫度更接近于實(shí)際溫度；但在距離被測(cè)壁表面一定深度處，陶瓷管的溫度就非常接近實(shí)際溫度，相比之下，金屬管的溫度就不如陶瓷管那么接近實(shí)際溫度。因此當(dāng)被測(cè)壁較厚時(shí)，宜采用陶瓷管；而當(dāng)被測(cè)壁較薄時(shí)，宜采用金屬管。圖3a_c分別示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三種熱流密度測(cè)量裝置300a、300b和300c。熱流密度測(cè)量裝置300a、300b和300c基本上分別與圖2a_2c所示的熱流密度測(cè)量裝置200a、200b和200c類似，除了在每個(gè)熱電偶組中的兩個(gè)熱電偶通過串聯(lián)而非并聯(lián)形成正極端子和負(fù)極端子，這種串聯(lián)連接方式在圖4b中更清楚地示出。雖然在圖2和圖3所示出的熱流密度測(cè)量裝置中，在每個(gè)熱電偶組中有兩個(gè)電熱偶，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到，可以根據(jù)需要在每個(gè)熱電偶組中設(shè)置更多或更少的熱電偶。此外，優(yōu)選地，在由多個(gè)熱電偶構(gòu)成的熱電偶組中，熱電偶結(jié)點(diǎn)均勻分布于該待測(cè)深度處的平面上以管2的軸為圓心形成的圓上，但不限于此。
根據(jù)本發(fā)明的熱流密度測(cè)量裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)或效果
1)本發(fā)明的熱流密度測(cè)量裝置的第一個(gè)突出特點(diǎn)是能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)壁的較小溫差下的熱流密度；
2)本發(fā)明的熱流密度測(cè)量裝置的第二個(gè)突出特點(diǎn)是對(duì)被測(cè)壁的溫差有較靈敏的反應(yīng)，并且理論上溫差大于O. 3°C時(shí)的小溫差測(cè)量的靈敏度和精度都較高；
3)本發(fā)明的熱流密度測(cè)量裝置中，當(dāng)選用熱電偶線直接形成熱電偶端點(diǎn)時(shí)，對(duì)操作方法要求較高，適用于批量生產(chǎn)工藝制造；當(dāng)選用熱電偶線與補(bǔ)償導(dǎo)線相連接后，補(bǔ)償導(dǎo)線形成熱電偶端點(diǎn)時(shí)，采用一般加工過程或?qū)Ь€連接方式就可達(dá)到很好的測(cè)量效果；
4)本發(fā)明不限于熱電偶的種類，對(duì)于同樣類型的熱電偶，采用本發(fā)明的熱流 密度測(cè)量裝置時(shí)，其測(cè)量精度要比普通直接測(cè)量被測(cè)壁溫差的測(cè)量精度遠(yuǎn)高于I. ΓΙΟ倍，具體精度需根據(jù)熱電偶組的布置、接線方式、熱電偶線引線與固定方式以及周圍環(huán)境等多種因素有關(guān);
5)本發(fā)明的熱流密度測(cè)量裝置不限于能源動(dòng)力領(lǐng)域，該原理可拓展到建筑墻體的熱流密度測(cè)量或?qū)嵯禂?shù)測(cè)量方面；
6)當(dāng)用于測(cè)量小尺寸壁的熱流密度，如對(duì)于小試驗(yàn)壁或不宜開孔的建筑墻體模塊，可不選用在被測(cè)壁上開孔或深埋，直接在被測(cè)壁兩側(cè)將熱電偶線引出是有效益高測(cè)量精度的途徑，此時(shí)需注意埋置熱電偶的深度和熱電偶線埋置的長(zhǎng)度。以下參考圖6來描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱流密度測(cè)量方法600。該方法600包括以下步驟在步驟601，將管插入被測(cè)壁中使之在被測(cè)壁的厚度方向上形成封閉空腔；在步驟602，埋置多個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)以使得在被測(cè)壁的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)；在步驟603，將與熱電偶的結(jié)點(diǎn)相連的熱電偶線引入所述管的空腔內(nèi)并且經(jīng)由所述管從被測(cè)壁中引出；以及，在步驟604，通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出被測(cè)壁厚度方向的熱流密度。優(yōu)選地，步驟604進(jìn)一步包括將熱電偶結(jié)點(diǎn)位于同一待測(cè)深度的一個(gè)或多個(gè)熱電偶被布置成一個(gè)熱電偶組，在由一個(gè)熱電偶組成熱電偶組中，由所述一個(gè)熱電偶的熱電偶線直接形成正極端點(diǎn)和負(fù)極端點(diǎn)；在由多個(gè)熱電偶組成熱電偶組中，通過并聯(lián)或串聯(lián)所述多個(gè)熱電偶的熱電偶線來形成正極端點(diǎn)和負(fù)極端點(diǎn)。其中，在不同熱電偶組之間可以通過負(fù)極端點(diǎn)與負(fù)極端點(diǎn)之間直接連接來形成熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)，從而通過測(cè)量各熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)之間的電勢(shì)差并且通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件等可得到各待測(cè)深度之間的溫度差?？商鎿Q地，也可以通過直接測(cè)量每個(gè)熱電偶組的正極端點(diǎn)和負(fù)極端點(diǎn)之間的電勢(shì)差來得到與該熱電偶組對(duì)應(yīng)的待測(cè)深度處的溫度。優(yōu)選地，步驟601進(jìn)一步包括將所述管從被測(cè)壁的外表面垂直插入被測(cè)壁，該管的封閉底面與被測(cè)壁的內(nèi)表面相平，管的封閉頂面與被測(cè)壁的外表面相平并在封閉頂面上為熱電偶線預(yù)留小孔，在管的封閉底面與封閉頂面之間的封閉空腔內(nèi)充滿空氣，或填充以隔熱材料，例如導(dǎo)熱系數(shù)不大于O. 05 ff/ (m · K)的導(dǎo)熱材料。優(yōu)選地，步驟602進(jìn)一步包括將所述熱電偶結(jié)點(diǎn)埋置于在被測(cè)壁內(nèi)或管的管壁內(nèi)。優(yōu)選地，在熱流密度測(cè)量方法600中，所述管為金屬管或陶瓷管或用與被測(cè)壁材料導(dǎo)熱系數(shù)相同的材料制成的管。
根據(jù)本發(fā)明的熱流密度測(cè)量方法能夠獲得與根據(jù)本發(fā)明的熱流密度測(cè)量裝置同樣的優(yōu)點(diǎn)和效果，在此不再贅述。應(yīng)該理解的是，以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，而所 附權(quán)利要求意在涵蓋落入本發(fā)明精神和范圍中的這些修改或者等同替換。
權(quán)利要求
1.一種熱流密度測(cè)量裝置，包括多個(gè)熱電偶和管(2)，其中管(2)在被測(cè)壁(8)的厚度方向上形成封閉空腔(7)，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶結(jié)點(diǎn)(3)被如此埋置以使得在被測(cè)壁(8)的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)，與熱電偶結(jié)點(diǎn)(3)相連的熱電偶線(1)被引入管(2)的空腔內(nèi)并且經(jīng)由管(2)從被測(cè)壁(8)中引出，其中被測(cè)壁(8)厚度方向的熱流密度通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱流密度測(cè)量裝置，其中其熱電偶結(jié)點(diǎn)位于同一待測(cè)深度的一個(gè)或多個(gè)熱電偶被布置成一個(gè)熱電偶組，在由一個(gè)熱電偶組成熱電偶組中，由所述一個(gè)熱電偶的熱電偶線(I)直接形成正極端點(diǎn)(ΙΙ-a)和負(fù)極端點(diǎn)(ΙΙ-b);在由多個(gè)熱電偶組成熱電偶組中，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶線(I)通過并聯(lián)或串聯(lián)形成正極端點(diǎn)(ΙΙ-a)和負(fù)極端點(diǎn)(11-b)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱流密度測(cè)量裝置，其中不同熱電偶組之間通過負(fù)極端點(diǎn)(11-b )與負(fù)極端點(diǎn)(11_b )之間直接連接來形成熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)(4 ;4-a、4_b、4_c ),通過測(cè)量各熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)(4;4-a、4-b、4-c)之間的電勢(shì)差并通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件來得到各待測(cè)深度之間的溫度差。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱流密度測(cè)量裝置，其中通過直接測(cè)量每個(gè)熱電偶組的正極端點(diǎn)(ΙΙ-a)和負(fù)極端點(diǎn)(11-b)之間的電勢(shì)差來測(cè)得與該熱電偶組對(duì)應(yīng)的待測(cè)深度處的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱流密度測(cè)量裝置，其中所述管(2)從被測(cè)壁(8)的外表面(6)垂直插入被測(cè)壁(8)，該管(2)的封閉底面(10)與被測(cè)壁(8)的內(nèi)表面(9)相平，管(2)的封閉頂面(5)與被測(cè)壁(8)的外表面(6)相平并在封閉頂面(5)上為熱電偶線(I)預(yù)留小孔，管(2)的封閉底面(10)與封閉頂面(5)之間的封閉空腔內(nèi)充滿空氣，或填充以隔熱材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱流密度測(cè)量裝置，其中所述熱電偶結(jié)點(diǎn)(3)被埋置于在被測(cè)壁(8)內(nèi)或管(2)的管壁內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱流密度測(cè)量裝置，其中所述管(2)為金屬管或陶瓷管或用與被測(cè)壁(8)材料導(dǎo)熱系數(shù)相同的材料制成的管。
8.一種熱流密度測(cè)量方法，包括 將管插入被測(cè)壁中使之在被測(cè)壁的厚度方向上形成封閉空腔； 埋置多個(gè)熱電偶的結(jié)點(diǎn)以使得在被測(cè)壁的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)占. 將與熱電偶的結(jié)點(diǎn)相連的熱電偶線引入所述管的空腔內(nèi)并且經(jīng)由所述管從被測(cè)壁中引出；以及 通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出被測(cè)壁厚度方向的熱流密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱流密度測(cè)量方法，進(jìn)一步包括將熱電偶結(jié)點(diǎn)位于同一待測(cè)深度的一個(gè)或多個(gè)熱電偶被布置成一個(gè)熱電偶組，在由一個(gè)熱電偶組成熱電偶組中，由所述一個(gè)熱電偶的熱電偶線直接形成正極端點(diǎn)和負(fù)極端點(diǎn)；在由多個(gè)熱電偶組成熱電偶組中，通過并聯(lián)或串聯(lián)所述多個(gè)熱電偶的熱電偶線來形成正極端點(diǎn)和負(fù)極端點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱流密度測(cè)量方法，進(jìn)一步包括在不同熱電偶組之間通過負(fù)極端點(diǎn)與負(fù)極端點(diǎn)之間直接連接來形成熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)，從而通過測(cè)量各熱電勢(shì)結(jié)點(diǎn)之間的電勢(shì)差并通過查表或通過相關(guān)硬件或軟件來得到各待測(cè)深度之間的溫度差。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱流密度測(cè)量方法，進(jìn)一步包括通過直接測(cè)量每個(gè)熱電偶組的正極端點(diǎn)和負(fù)極端點(diǎn)之間的電勢(shì)差來測(cè)得與該熱電偶組對(duì)應(yīng)的待測(cè)深度處的溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱流密度測(cè)量方法，其中將所述管從被測(cè)壁的外表面垂直插入被測(cè)壁，該管的封閉底面與被測(cè)壁的內(nèi)表面相平，管的封閉頂面與被測(cè)壁的外表面相平并在封閉頂面上為熱電偶線預(yù)留小孔，在管的封閉底面與封閉頂面之間的封閉空腔內(nèi)充滿空氣，或填充以隔熱材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱流密度測(cè)量方法，其中將所述熱電偶結(jié)點(diǎn)埋置于在被測(cè)壁內(nèi)或管的管壁內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱流密度測(cè)量方法，其中所述管為金屬管或陶瓷管或用與被測(cè)壁材料導(dǎo)熱系數(shù)相同的材料制成的管。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱流密度測(cè)量裝置和方法。一種熱流密度測(cè)量裝置，包括多個(gè)熱電偶和管(2)，其中管(2)在被測(cè)壁(8)的厚度方向上形成封閉空腔(7)，所述多個(gè)熱電偶的熱電偶結(jié)點(diǎn)(3)被如此埋置以使得在被測(cè)壁(8)的不同待測(cè)深度處存在一個(gè)或多個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)，與熱電偶結(jié)點(diǎn)(3)相連的熱電偶線(1)被引入管(2)的空腔內(nèi)并且經(jīng)由管(2)從被測(cè)壁(8)中引出，其中被測(cè)壁(8)厚度方向的熱流密度通過從所述多個(gè)熱電偶測(cè)量得到的溫度變化來得出。
文檔編號(hào)G01K17/00GK102879129SQ20121030001
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者李成, 趙瑞昌, 常華健 申請(qǐng)人:國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司, 國家核電技術(shù)有限公司