[發明專利]一種電阻測溫量熱計及其測量方法

有效

• 申請號: 201310257809.8
• 申請日: 2013-06-26
• 公開（公告）號: CN103308205A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 張仕忠;李進平;俞鴻儒
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01K7/16
• 分類號: G01K7/16;G01K17/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 王藝

技術領域

本發明涉及熱流率測量和瞬態溫度測量，屬激波和激波風洞熱流測量領域，尤其涉及一種電阻測溫量熱計及其測量方法。

背景技術

高超聲速飛行器是21世紀世界航空航天事業發展的一個主要方向,對國際戰略格局、軍事力量對比、科學技術和經濟社會發展以及綜合國力提升等產生重大和深遠的影響。而其中的防熱問題是高超聲速飛行器設計的關鍵問題。隨著臨近空間飛行器研究的發展，飛行器表面氣動熱及熱防護技術成為與推進技術并列的高超聲速飛行的關鍵之一，氣動熱測量技術在實驗研究中越來越重要。在高超聲速飛行器地面防熱試驗研究中,模型表面熱流率測量是試驗的關鍵技術。

常用的測熱傳感器主要分為表面溫度計類和量熱計類：

表面溫度計類是利用表面溫度計測出半無限體的表面溫度隨時間變化的歷史，然后按熱傳導理論計算表面熱流率，如：薄膜電阻溫度計，同軸熱電偶。量熱計類是利用量熱元件吸收傳入其中的熱量，測量量熱元件的平均溫度變化率再計算表面熱流率，如塞形銅箔量熱計。

下面簡要介紹下這幾種傳感器的結構形式及測熱原理:

1.薄膜電阻溫度計

薄膜電阻溫度計是將金屬薄膜鍍在非金屬材料上，當金屬薄膜受到氣動熱時其電阻值發生改變從而測出表面溫度,一般是將鉑通過真空濺射的方法濺射到玻璃的表面。

薄膜電阻溫度計的優點是反應快，靈敏度高；缺點是使用的溫度范圍較小，溫升過大會導致基底物性發生變化，從而引起較大誤差。抗沖刷能力差，薄膜與氣流直接接觸，經不住含固體微粒氣流的正面沖刷。薄膜受氣流沖刷過程中自身電阻發生變化從而引起嚴重的實驗測量誤差。當空氣發生解離時，電阻也會發生變化，從而引起較大的測量誤差。

2.同軸熱電偶熱流計

熱電偶是一種基于熱電效應的溫度傳感器，其測量原理是將兩種不同材料的導體或半導體A和B連接成一個閉合回路。當導體A和B之間存在溫度差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成電流，這種現象稱為塞貝克效應。同軸熱電偶的一般結構為將康銅絲穿入紫銅管中，使用環氧樹脂隔離，通過處理使其表面導通，從而構成銅—康銅熱電偶。

同軸熱電偶熱流計的特點是抗沖刷能力強，頻響較高，結構簡單，尺寸較小，便于安裝；缺點是靈敏度較低。

3.塞形銅箔量熱計

塞形銅箔量熱計前端為圓形銅箔，銅箔背面中心處焊接細康銅絲，該處即是熱偶節點；圓周附近焊細銅絲，作為銅—康銅熱偶引出線；將銅箔用環氧樹脂粘在絕緣管上。

塞形銅箔量熱計的優點是能夠在高熱流情況下進行測量，抗沖刷能力較強，結構簡單；缺點是頻響較低，靈敏度低，由于工藝限制，尺寸不能小，節點焊接難度大。

發明內容

本發明解決的一個技術問題就是，提出一種電阻測溫量熱計及其測量方法，其具有更高的靈敏度，薄膜電阻可避免熱流沖刷，阻值穩定性強，且測量值精確、可靠。

為了解決上述問題，本發明提供一種電阻測溫量熱計，包括絕熱管、固定在絕熱管一端的量熱片，以及填充在絕熱管內的高分子化合物，其中，所述量熱片朝向絕熱管內部的一側設置有金屬薄膜，所述金屬薄膜的兩端分別連接有測量引線。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述量熱片為具有高熱導率和高電阻率的材料。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述金屬薄膜為貴金屬薄膜。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述金屬薄膜的厚度為10^-8～10^-7m。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述量熱片的厚度為0.15mm-0.2mm。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述金屬薄膜通過濺射的方法鍍在量熱片上。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述金屬薄膜包括中間的矩形結構，以及設置在兩端的圓弧狀結構，所述測量引線與所述圓弧狀結構相連。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述金屬薄膜的阻值和溫度呈線性變化。

作為上述電阻測溫量熱計的一種優選方案，所述高分子化合物為環氧樹脂，所述金屬薄膜為鉑薄膜，所述量熱片為金剛石片。

一種采用如以上所述的電阻測溫量熱計的測量方法，其中，若量熱片背面及側面絕緣無熱損失，則單位面積量熱片在某一時間間隔傳入其中的熱量應等于量熱片蓄積的熱量，因此得出熱流量的計算公式：

q·Δt=∑ρcΔT·Δx

上述公式取極限得出：