[发明专利]一种热流实时检测装置及其热流实时检测方法

权利要求书

1.一种热流实时检测装置，其特征在于，所述热流实时检测装置由薄膜式无感热电阻温度传感器，信号处理系统及显示系统组成；其中薄膜式无感热电阻温度传感器是在电绝缘热阻板基底3的上端面1和下端面4的有效区域内制成的薄膜式、无感绕法的上端面热电阻R_t2和下两端面热电阻R_t1；上端面热电阻R_t2和下两端面热电阻R_t1分别连接在信号处理系统的两个桥式电路的桥臂上，信号处理系统的单片机与显示系统连接； 

2.根据权利要求1所述热流实时检测装置，其特征在于，所述薄膜式无感热电阻温度传感器是在热阻板基底3的上端面1、下端面4的有效区域内制成薄膜式、无感绕法的上端面热电阻R_t2和下两端面热电阻R_t1；上端面热电阻R_t2的引出线6、下两端面热电阻R_t1的引出线8均采用“三线制”接法引出；上端面热电阻R_t2用电绝缘薄膜2封装保护，下两端面热电阻R_t1用电绝缘薄膜5封装保护；热阻板基底3在下端面热电阻引线8处有一开孔9，下端面热电阻的引线8由热阻板上的开孔9引至上端面；热阻板基底3的四角各开一个螺栓固定安装孔7。 

3.根据权利要求1所述热流实时检测装置，其特征在于，所述信号处理系统由测温电桥10、测差电桥11、放大器、A/D转换、单片机、可编程控制开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆组成，测温电桥10由R₁、R₂、R₃和与可编程控制开关K₄、K₅、K₆连接的上端面热电阻值R_t2构成，测差电桥11由R₄、R₅以及与可编程控制开关K₁、K₂、K₃连接的下两端面热电阻R_t1、与可编程控制开关K₄、K₅、K₆连接的下两端面热电阻R_t1连接组成；上端面热电阻R_t2相关的电压量ΔU₀的测温电桥10输出连接第一放大器和第一A/D转换，后与单片机连接；上、下端面热电阻阻值差R_t2-R_t1相关的电压量ΔU₁的测差电桥11输出与连接第二放大器和第二A/D转换，后与单片机连接。单片机输出与显示器连接。 

4.根据权利要求1所述热流实时检测装置，其特征在于，所述薄膜式无感热电阻温度传感器的两端面热电阻采用真空离子溅射一种易得高纯的铂金属膜，经 激光熔刻得到的无感热电阻，使热流测量不受周围交变电磁场的影响；两端面热电阻的引出线采用“三线制”接法，使两端面热电阻的输入输出特性分别校验，保证了温差测量的准确性。 

5.一种热流实时检测装置的热流实时检测方法，其特征在于，包括： 

一，检测原理，热流密度q，表示单位时间、单位面积截面上传输的热量，单位W/m²；热流密度q与热阻板导热系数λ、厚度d以及热阻板上、下两端面的温差Δt=t₂-t₁的关系已由（1）式给出；热电阻温度传感器安装固定后，其导热系数λ以及厚度d均已知，故只需测出两端面温度差Δt=t₂-t₁，带入公式（1），便可得到通过热阻板的热流密度q； 

其中铂金属热电阻的输出电阻值R_t随温度变化而变化，测温范围是-200-850℃，阻值与温度的关系： 

R_t=R₀(1+At+Bt²)（0≤t≤850℃）                       (2) 

R_t=R₀[1+At+Bt²+C(t-100)t³]（-200≤t≤0℃）            (3) 

其中：R_t表示温度t℃时铂金属热电阻的阻值即指上端面热电阻R_t2或下端面热电阻R_t1在测量时的阻值，R₀表示温度0℃时铂金属热电阻的阻值，A=3.9083×10^-3℃^-1、B=-5.775×10^-7℃^-2、C=-4.183×10^-12℃^-4，均为常数，由于工业生产过程中的温度值一般均高于0℃，热电阻的阻值R_t与温度值t之间的一一对应关系可由（2）式确定；故在温度已知的情况下，可通过测量上端面热电阻R_t2、下端面热电阻R_t1的阻值，由（2）式对上端面热电阻R_t2、下端面热电阻R_t1的阻值进行校验，以确认上端面热电阻R_t2、下端面热电阻R_t1的阻值在测量范围内是否合格；当传感器与被测对象接触时，上端面1、下端面4所处的环境温度不同，上端面热电阻R_t2和下端面热电阻R_t1的阻值也不同； 

二.将上端面热电阻R_t2、下端面热电阻R_t1接入信号处理电路，其中R_w1、R_w2、R_w3是下端面热电阻R_t1的连接导线的等效电阻，R_w4、R_w5、R_w6是上端面热电阻R_t2的连接导线的等效电阻；由于上端面热电阻R_t2、下端面热电阻R_t1的六根引线均引至热阻板的上端面，材质、长度、横截面积、所处温度均相同，故有 R_w1=R_w2=R_w3=R_w4=R_w5=R_w6=R_w，且R_w的大小由通过改变引线材质、长度、横截面积进行事先选定； 

三.热流密度q的自动检测过程如下： 

1）测量开始，单片机控制测温电桥10中的可编程控制开关K₄、K₅、K₆闭合，测差电桥11中的可编程控制开关K₁、K₂、K₃断开，上端面热电阻R_t2接入测温电桥10中，根据电路原理可求得： 

（4）式中Is₁为测温电桥10的恒流源电流，R_t2为上端面热电阻的阻值，R₁、R₂、R₃为固定电阻阻值，R₁=R₂=R₃=R为已知，（4）式可化简为： 

（5）式中，R、R_w、Is₁为定值，ΔU₀表征R_t2，经放大后转换成1-5VDC电压U₀。 

2）U₀表征R_t2的值，单片机经计算求得R_t2的值后，根据（2）式，求得R_t2对应的温度值t₂。 

3）单片机控制测差电桥11中的可编程控制开关K₁、K₂、K₃闭合，测温电桥10中的可编程控制开关K₄、K₅、K₆断开，上端面热电阻R_t2、下端面热电阻R_t1被接入测差电桥11相邻的桥臂，桥路输出电压为ΔU₁，根据电路原理有： 

式（6）中，Is₂为测差电桥11的恒流源电流，R_t1为下端面热电阻的阻值，R₄、R₅为固定电阻阻值，R₄=R₅=R为已知，（6）式可化简为： 

（7）式中，R、R_w、Is₂为定值，ΔU₁表征ΔR=R_t2-R_t1，ΔU₁经放大后，转换成1-5VDC电压U₁。 

4）U₁表征上端面热电阻R_t2、下端面热电阻R_t1的阻值R_t2、R_t1之差，即 U₁=f(R_t2-R_t1)，用单片机计算求出该阻值差ΔR=R_t2-R_t1的值后，把已求得的R_t2值代入，便求得R_t1=R_t2-ΔR的值，再根据（2）式，可得R_t1对应的温度值t₁，从而求出热流传感器热阻板上、下两端面的温度差Δt=t₂-t₁； 

需要指出，由于热电阻输入输出特性非线性，即使测出了两热电阻之差ΔR=R_t2-R_t1，也不能准确获得对应温度差Δt=t₂-t₁的数量值。如果通过独立测取R_t1、R_t2的值，再通过经验公式得到两热电阻阻值对应的温度值t₁、t₂，进而求得温差Δt=t₂-t₁的方法，称为“绝对差法”，存在的问题是温差测量的误差过大，尤其是当温度差t₂-t₁不大时，允许误差可能会淹没了温差信号，使测量失效； 

为解决这一问题，本最佳实施案例采用的上述方法称为“相对差法”，即在测得R_t2值的基础上，再测得ΔR=R_t2-R_t1的值，带入R_t2，求出R_t1=R_t2-ΔR的值，通过带入（2）式求得R_t1、R_t2对应的温度值t₁、t₂，进而求出温度差Δt=t₂-t₁，即使Δt很小，也能保证很高的准确度。 

5）由于碳化硅陶瓷基底的厚度d与导热系数λ已知，带入公式（1），便得到通过热阻板的热流密度值q，送显示器输出显示。单片机通过控制可编程控制开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆通断，使测温电桥10、测差电桥11周期性地交替工作，得到不同时刻的热流密度，实现了对被测对象热流密度的实时检测。 

所述热流实时检测装置的热流传感器采用纯金属薄膜式无感绕法热电阻测温差，只需溅射一种高纯物质金属，从根本上避免了合金金属溅射不均匀导致的热电堆中单热电偶热电特性无法保证已知与校验，以及热电堆中热电偶热电特性非线性、热电堆测量回路输出热电势受交变电磁场影响的局限性。