热工测量仪表 —— 热流测量
背景 : 在热力设备的研究和运行中，除了测量温 度参数外，往往还需要测量热流密度。 例如 : 需测量火焰在单位时间内以辐射或辐射和 对流两种方式传至某单位面积上的热量，炉墙 和热力管道在单位时间和单位面积上向外散失 的热量，等等。 测量单位时间内单位面积上通过热量的仪表叫 做热流密度计，简称热流计。 几种典型热流计： 导热式、辐射式、辐射－对流式
1 、导热式热流计 这是一种有热阻式热流测头、测量以一 维空间导热为主的热流计，其基本理论 依据傅立叶定律。在稳态条件下，某一 方向上由传导所传递的热流密度 q 为 式中 λ 为热流计材料的热导率，它和材料 的性质有关，且是温度的函数； 为垂直于等温面方向的温度梯度。
如测量得到沿 x 方向两个点 x1 和 x2 处的温 度 t1 和 t2 ，则由下式可求得 q ： 式中 λm 是平均热导率，简写为 λ 。这类热 流计的结构形式很多，下面介绍几种。
A 金属片型热流计： 这是一种在传感器上 采用平均热导率已知 和厚度已知的金属片 ，测量金属片两表面 之间的温度差，进一 步计算出热流密度的 装置。
优点： 构造简单，容易用 计算法求出热流密 度 缺点： 1 由于 λ 与温度有关 ，因此 q 与△ t 不是 线性关系； 2 散热表面在安装 传感器后会使原来 的热流密度发生变 化。 不可能达到高准确 度的热流密度测量 。
B ．薄板型热流计 在金属或合金薄板的两个表面上贴金属箔 或镀金属层，把热流测头本体作为一个差 动热电偶。 假定通过此薄板的热流密度为 q ，差动热 电偶的热电势为 E ，则有 q=CE ，其 中： C 为热流测头系数， C 值越小，测头越灵敏 。
如图 6-17 所示，热流 测头是一块有一定厚度 的圆形康铜板，康铜板 上镀以铜，这两者就组 成了热电偶的热端和冷 端，康铜板的圆周方向 上用绝缘材料绝热。为 了保持受热面的背面温 度一定，可采用水冷却 。若受热面接受热量， 则在康铜板的两个表面 之间产生温差，对应此 温差的热电势可以计算 出热流密度。
注意事项： 1 、如果使用温度过高，则 q 和 E 之间就呈 非线性关系，所以一般使用在 E=10mV 以 下。 2 、温度过高，金属箔或镀层容易被氧化 或损坏 3 、上面这两种热流测头的热阻层都是金 属，其热阻较小， C 较大，故不适用于测 量较小的热流密度。
C ．热电堆型热 流计 这种热流计 由于采用多组串 联的差动热电偶 测量温差，因此 灵敏度很高，是 目前应用最广泛 的热流测头。 它的结构原理如 图 6-18 所示。它 由检测板和保护 检测板的覆盖材 料以及引线组成 。 检测板包括热阻板及其两表面上由多组热电偶串联组成的热 电堆。根据使用温度的不同，热阻板可以用塑料、橡胶、陶 瓷制作，甚至采用空气层。
若将此热流测头（传感器）安装在被测炉壁表面，则由于传感 器的热阻作用，安装传感器前的热流密度 q0 和安装传感器后的 热流密度 q 不相等（见图 6-19 ），此时可列出以下二式： 式中： λ 为热阻板的导热系数； d 为热阻板的厚度； k 为由热电堆材 质确定的常数； K 传感器的灵敏度 常数； E 传感器的输出信号值 灵敏度常数 K 可用标准热流 发生器对各个传感器分别求 得。有了 K 和 E 值，就可求 得 q0 ，一般 K 与温度有关， 随温度不同需进行修正。此 外 q0/q 随传热条件变化，这 是影响测量准确度的重要因 素。
2 、辐射式热流计 辐射式热流计只测量辐射 热流密度，其传感器采用 内表面镀金的铜质椭圆球 结构，如图 6-20 所示。从 入射孔入射的辐射热流在 椭圆球体的内表面进行多 次反射，最后都传到表面 涂黑的圆柱形不锈钢塞子 上，塞子后面为一不锈钢 杆，在杆的前后两端上， 缠绕并焊上康铜丝，这就 形成了康铜 — 不锈钢热电 偶，可用来测量温度差， 从而求得热流密度。
传感器通过分布在椭圆球短轴平面上的小孔（ 2~8 个）向椭圆形腔喷射干氮气流，以消除对 检测器（不锈钢塞子）的对流传热，保证只测 量热辐射；另外还可以防止燃烧气体和灰尘颗 粒进入椭圆腔内，以防止沾污反射镜，影响反 射率。但是通入的氮气不能过量，否则检测器 会被冷却，导致测量误差。此传感器可用水冷 ，因此可在高达 1600 ℃的高温条件下使用，它 的测量范围可达 500kW/m2 。
3 、辐射 — 对流热流计 同时测量炉内辐射传热和 对流传热热流密度的装置， 称为全热流计或总热流计。 结构如图 6-21 所示，它采 用圆柱形铝合金制成。
为了提高对传感器前端射入的辐射能的全 吸收率，在受热面上车成许多同心圆沟 槽并且涂黑，使其表面上的全发射率接 近 1 。另外，在传感器的后端面上用水冷 却以维持一定的温度。热电偶设置在圆 柱形铝合金中间间隔一定距离的两个点 上。这种热流计的测定范围可达 500kW/m2 ，被测对象温度不超过 1600 ℃。