具有动态校正功能的快速量热仪，可用于瞬态热传递测量！
- 2020/11/13 14:47:08 15953
- 来源：贤集网
【仪表网 仪表研发】随着新型合成材料的发展，采用新型量热元件的稳定瞬态量热计引起了研究者的关注。该传感器使用金刚石作为量热元件，并在背面溅射一个铂膜电阻来测量温度。根据量热原理计算了表面热流。该传感器具有灵敏度高、不易腐蚀的优点。
然而，非理想条件，如从量热计元件到周围环境的散热，可能导致测量偏差，并给传感器小型化带来挑战。本研究以空气和环氧树脂为回填材料，研制了两种不同尺寸的瞬态量热计。对量热计元件与周围环境之间复杂的热交换进行了数值模拟，
结果表明它偏离了理想量热计传感器的假设。为此，提出了一种动态修正方法来补偿热量计元件背面的能量损失。数值结果表明，动态修正方法显著提高了测量误差，在测试时间小于12 ms的情况下，模拟结果的相对误差在2.3%以内。爆震隧道试验验证了动态修正方法的结果，证明了一种获得动态修正系数的实用方法。在单个爆震隧道和激波管条件下，验证了动态修正方法的准确性和可行性。NTC量热计在所有实验中均表现出良好的重复性。
相关论文以题为“A Fast-Response Calorimeter with Dynamic Corrections for Transient Heat Transfer Measurements”于北京时间2020年09月03号发表在《Applied Sciences》上。
气动加热的精确预测是高超声速飞行器热设计和结构设计的重要内容，而气动加热的精确预测一直是现代计算流体动力学的难题。实验测量在解决这一问题上仍然起着不可缺少的作用。虽然近几十年来在提高传热测量精度方面取得了很大进展，但实验结果和理论结果之间的差异经常被观察到，例如，对于尖锐锥标准模型，在较复杂模型形状的某些局部区域，这种差异可能更大。此外，测量精度还取决于测试条件和传感器类型。因此，在取得进一步进展之前，有必要广泛开发新型热流传感器并研究影响传热测量的因素。
由于飞行试验成本高昂，大多数空气动力加热试验都在地面设施中进行。随着实验技术的发展，可以实现2.5 ~ 45 MJ/kg的高超声速流动，速度分别为2 ~ 10 km/s。在这种设备中，有效测试时间以毫秒为数量级，通过快速响应测试技术，从模型上选定点的瞬态温度监测得到热流率。一般来说，这些技术可以分为两类;第一种是基于热流传感器，如电阻温度计、热电偶和量热计；第二种是基于非侵入性技术，如温敏涂料和热像仪。
然而，每种技术都有其自身的优点和挑战。例如，非侵入式光学测量是获得温度分布测量的候选方法，具有时间/空间优势。但是，校准过程非常繁琐，流场杂质和模型振动会严重影响精度。总的来说，这项技术在技术上还不成熟。由于这些光学缺陷，点热流传感器，通常是圆柱形的，主要用于热传递测量。这些传感器必须具有足够快的响应速度以获得足够的数据，并且必须能够承受由于高速撞击模型的金属和塑料膜片碎片造成的热损伤或快速侵蚀。
在本研究中，研究人员开发了一种快速响应瞬态量热计，以金刚石为量热元件，用于热传导测量。铂膜电阻附着在金刚石的背面，作为灵敏的温度测量元件，极大地提高了信号输出的灵敏度。然后通过数值求解二维热传导方程，检验了仪表内的温度分布。讨论了热损失对周围背材料的非理想影响。此外，该仪表在三种测试条件下进行了充分的测试，在所有这些情况下都表现出优异的性能。总之，这一开发的仪表扩展和补充了高焓值激波隧道换热测量的其他技术。
目前，这方面的工作仍在进行中，需要通过不同传感器直径和不同回填材料的实验研究来演示和改进施工技术。然而，初步的结果是令人鼓舞的，NTC压力表可以用于扩展和补充其他技术所做的传热测量。
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