一种非规则固体壁面实时传热量的测量装置的制作方法

本发明涉及热工检测技术领域，特别是涉及一种非规则固体壁面实时传热量的测量装置。

背景技术：

在许多工业生产及民用生活领域，尤其是涉及有关非稳态导热耦合问题的研究领域，实时传热量的获取与测量在工业现场、环境保护及民用生活等各个领域受到广泛关注。

现有实时传热量的获取装置主要通过热电偶测量沿热流传递方向上不同距离处的温度差推导出相应的热流密度，进而求出研究对象的传热量。然而由于热电偶的存在导致被测物体及测量元件之间不可避免的产生接触热阻，并对被测物体的外部环境产生干扰。尤其对于被测物体是大面积、不规则形状时，测量的难度及成本就更高。

此外，若被测物体壁面同时受到其内部流体的流动状况、温度及压力的交变影响及外部环境参数(温度、湿度、风速等)的共同作用并影响时，将给涉及复杂参数作用下的非稳态传热耦合问题的热流密度及实时传热量的获取带来极大的挑战。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适合大面积、非规则固体壁面热流密度及实时传热量的测量装置，能够在复杂的内、外部环境作用下，精确、实时的测量大面积、非规则固体壁面的热流密度及实时传热量，对被测物体扰动很小，应用领域广泛。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种非规则固体壁面实时传热量的测量装置，包括测量贴片、实时传热量测量装置和导热硅胶，所述测量贴片包括至少三个导热率不同的导热体、侧面保温材料和中间保温材料，相邻的所述导热体中间设置有所述中间保温材料，所述导热体侧面包覆有所述侧面保温材料；所述测量贴片的一端涂覆有所述导热硅胶，所述测量贴片的另一端用于所述实时传热量测量装置的测量；

所述实时传热量测量装置包括红外成像模块、热流分布选择分析及处理模块、数据传输模块、数据处理分析模块和数据显示模块，所述红外成像模块与所述数据处理分析模块均与所述数据传输模块连接、所述数据传输模块与所述数据处理分析模块连接、所述数据处理分析模块与所述数据显示模块连接。

优选的，所述红外成像模块包括光学处理系统、探测器和信号处理器，所述光学处理系统设置在所述红外成像模块外部的采集端，所述光学处理系统通过所述探测器与所述信号处理器连接；

优选的，所述测量贴片为圆柱体测量贴片，所述圆柱体测量贴片的导热体为扇形导热片，所述圆柱体测量贴片包括第一扇形导热片、第二扇形导热片、第三扇形导热片和第n扇形导热片，所述第一扇形导热片、第二扇形导热片、第三扇形导热片和第n扇形导热片的导热率依次减小；

优选的，所述圆柱体测量贴片还包括第一侧面保温材料和第一中间保温材料，所述第一扇形导热片、第二扇形导热片、第三扇形导热片和第n扇形导热片互相拼接为圆形且拼接处通过所述第一中间保温材料隔离，所述所述第一扇形导热片、第二扇形导热片、第三扇形导热片和第n扇形导热片的圆弧边通过所述第一侧面保温材料包裹；

优选的，所述测量贴片为长方体测量贴片，所述长方体测量贴片的导热体为矩形导热片，所述长方体测量贴片包括第一矩形导热片、第二矩形导热片、第三矩形导热片和第n矩形导热片，所述第一矩形导热片、第二矩形导热片、第三矩形导热片和第n矩形导热片的导热率依次减小；

优选的，所述矩形导热片的数量为偶数且至少设置4个；

优选的，所述长方体测量贴片还包括第二侧面保温材料和第二中间保温材料，所述第一矩形导热片、第二矩形导热片、第三矩形导热片和第n矩形导热片互相拼接为矩形且拼接处通过所述第二中间保温材料隔离，所述所述第一矩形导热片、第二矩形导热片、第三矩形导热片和第n矩形导热片的直边通过所述第二侧面保温材料包裹；

优选的，所述测量贴片上还设置有贴合装置，所述贴合装置设置在所述第一侧面保温材料和所述第二侧面保温材料的周围；

优选的，所述测量贴片的形状为圆柱体、长方体、多边体中的任意一种；

优选的，所述数据传输模块为高速数据线、光纤、蓝牙和wifi中的任意一种；所述数据显示模块包括本地显示与远程显示，所述远程显示能够通过有线设备或蓝牙、wifi无线设备与所述数据处理分析模块连接，所述数据显示模块为pc端或手机、平板电脑移动终端。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明的测量装置基于非接触式红外测温原理，避免了在装置安装过程中对被测物体壁面的破坏，避免了对被测物体壁面温度场及热流场的扰动；同时与传统热电偶测温装置相比，无需外接电缆，提高了测量的经济性。

2、本发明的测量装置适用于测量大面积、非规则固体壁面，并且能够根据非规则固体壁面的结构特点及温度分布特征灵活选择测点数量及测点位置，进一步提高了该测量方法的精确度及应用范围。

3、本发明的测量装置能够适应空腔型被测物体内部流体的流动、温度及压力的交变影响，以及适应外部环境参数(温度、湿度、风速等)变化的影响，具有适用范围广的特点。

4、本发明的测量装置结构简单、布置方便、且易于实现，热流密度的测量范围广泛，最大热流密度的测量值可以达到10⁶数量级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明非规则固体壁面实时传热量的测量装置的示意图；

图2是发明实时传热量测量装置内部模块的示意图；

图2.1是发明实时传热量测量装置中的红外成像模块的示意图；

图3.1是发明圆柱体测量贴片的示意图；

图3.2是发明非规则固体壁面的示意图；

图3.3是发明紧密程度不同的三角形网格划分示意图；

图4.1是发明四边形测量贴片示意图；

图4.2是发明紧密程度不同的四边形网格划分示意图；

其中，1-被测物体、2-测量贴片、3-实时传热量测量装置、4-导热硅胶、2.1-红外成像模块、2.2-热流分布选择分析及处理模块、2.3-数据传输模块、2.4-数据处理分析模块、2.5-数据显示模块、2.1.1-光学处理系统、2.1.2-探测器、2.1.3-信号处理器、3.1.1-第一侧面保温材料、3.1.2-第一贴合装置、3.1.3-第一中间保温材料、3.2.1-被测壁面、3.2.2-网格线、3.2.3-圆柱体测量贴片、4.1.1-第二侧面保温材料、4.1.2-第二贴合装置、4.1.3-第二中间保温材料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1-3.3所示，本实施例是对本发明一种非规则固体壁面实时传热量的测量装置的结构和测量过程作出详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种非规则固体壁面实时传热量的测量装置，包括测量贴片2、实时传热量测量装置3和导热硅胶4；如图2所示，实时传热量测量装置3为一集成系统，具体包括红外成像模块2.1、热流分布选择分析及处理模块2.2、数据传输模块2.3、数据处理分析模块2.4和数据显示模块2.5，红外成像模块2.1与数据处理分析模块2.4均与数据传输模块2.3连接、数据传输模块2.3与数据处理分析模块2.4连接、数据处理分析模块2.4与数据显示模块2.5连接。

如图2.1所示具体的上述红外成像模块2.1包括光学处理系统2.11、探测器2.1.2和信号处理器2.1.3，光学处理系统2.11设置在红外成像模块2.1外部的采集端，光学处理系统2.11通过探测器2.1.2与信号处理器2.1.3连接；红外成像模块2.1用于测量被测物体1壁面上的温度分布及所述测量贴片2上不同导热材料的表面温度。

其中，热流分布选择分析及处理模块2.2，用于根据被测物体1壁面的结构特点及温度分布特征对被测物体1壁面进行网格线3.2.2划分，并根据网格线3.2.2的疏密程度确定被测物体1壁面特征测点的安放位置及安放数量；数据传输模块2.3，用于将所述红外成像模块2.1采集的数据传输至热流分布选择分析及处理模块2.2及数据处理分析模块2.4；数据处理分析模块2.4，用于对所述数据传输模块2.3传输过来的数据进行计算分析以获得非规则固体被测物体1壁面的热流密度及实时传热量。

数据显示模块2.5，用于显示所述数据处理分析模块2.4的处理结果，数据传输模块2.3为高速数据线、光纤、蓝牙和wifi中的任意一种；数据显示模块2.5包括本地显示与远程显示，远程显示能够通过有线设备或蓝牙、wifi无线设备与数据处理分析模块2.4连接，数据显示模块2.5为pc端或手机、平板电脑移动终端。

本实施例的测量贴片2一端涂覆有导热硅胶4，测量贴片2的另一端用于实时传热量测量装置3的测量，测量贴片2涂覆有导热硅胶4的一端用于粘贴在不规则的被测壁面3.2.1，导热硅胶4用以减小测量贴片2与被测壁面3.2.1之间的接触热阻并使之紧密贴合。

如图3.1所示，具体的测量贴片2包括至少三个导热率不同的导热体，本实施例的测量贴片2为圆柱体测量贴片3.2.3，具体的圆柱体测量贴片3.2.3的导热体为三个扇形导热片，圆柱体测量贴片3.2.3包括第一扇形导热片、第二扇形导热片和第三扇形导热片，具体的第一扇形导热片为紫铜，第二扇形导热片为铝，第三扇形导热片为不锈钢，三个扇形导热片大小相同且拼成一个圆柱体。

所述圆柱体测量贴片3.2.3还包括第一侧面保温材料3.1.1和第一中间保温材料3.1.3，第一扇形导热片、第二扇形导热片和第三扇形导热片互相拼接为圆形且拼接处通过第一中间保温材料3.1.3隔离，这里的第一中间保温材料3.1.3用于保证上述三种导热材料相互绝热；扇形导热片的侧面包覆有第一侧面保温材料3.1.1，第一侧面保温材料3.1.1将扇形导热片侧面包覆起来，以保证热流只沿测量贴片2轴向一维传递。而且圆柱体测量贴片3.2.3外周布置第一贴合装置3.1.2，以保证圆柱体测量贴片3.2.3能够牢固安置在被测壁面3.2.1上，当被测壁面3.2.1为钢制储气罐时，上述第一贴合装置3.1.2可以为磁环。

本实施例一种非规则固体壁面实时传热量的测量装置的测量方法包括：

如图3.2所示，首先利用热流分布选择分析及处理模块2.2对待测壁面进行网格划分，并根据网格的疏密程度确定待测壁面特征测点的安放位置及安放数量。

具体为：利用红外成像模块2.1获得壁面的温度分布特征，如图3.3所示并根据壁面的温度分布特征以及壁面的结构特点将所述壁面划分为个特征网格，；在各个所述特征网格内选取有代表性的位置作为特征测点的安放位置。

如图1所示，将圆柱体测量贴片3.2.3安放于待测壁面的各个特征网格的特征测点的安放位置上，并且保证圆柱体测量贴片3.2.3的轴向与该测点处壁面垂直；测量圆柱体测量贴片3.2.3的一端与壁面之间涂抹导热硅脂，以减小所述测量贴片2与所述壁面之间的接触热阻并使之紧密贴合。

如图2所示，本实施例的实时传热量测量装置3利用红外成像模块2.1测量第一扇形导热片、第二扇形导热片和第三扇形导热片的表面温度ti1、ti2、ti3，并将采集的数据通过数据传输模块2.3实时传输到数据处理分析模块2.4，在数据处理分析模块2.4内对数据进行计算分析，从而获得所述壁面的热流密度及实时传热量，并将数据处理结果(壁面的热流密度分布及实时传热量)显示在数据显示模块2.5上。

本实施例非规则固体壁面实时传热量的测量装置的测量原理如下：

根据下述公式，任意选取两种导热材料的热流密度值计算该测点处壁面的温度tj：

整理得：该测点处壁面的温度tj为

其中，qi1、qi2分别为该测量贴片2中的通过两种导热材料的热流密度，单位为w/㎡；λ1、λ2分别为该测量贴片2中两种导热材料的热导率，单位为w/m·k；ti1、ti2分别为该测量贴片2中两种导热材料的表面温度，单位为℃；tj为该测量贴片2中两种导热材料与壁面紧密贴合的底面温度，单位为℃；l1、l2分别为该测点处两种导热材料的厚度，两种导热材料的厚度一致且均匀，即：l1＝l2；单位为m。

根据下述任一公式，可计算壁面内任一特征网格内的热流密度：

或

或

其中，qi1、qi2、qi3为单一测量贴片2中三种确定的导热材料计算出的该测点处所述壁面的热流密度，单位为w/㎡；λ1、λ2、λ3分别为该测点处三种导热材料的热导率，单位为w/m·k；ti1、ti2、ti3为该测点处三种导热材料的表面温度，单位为℃；l1、l2、l3为该测点处三种导热材料的厚度，各导热材料的厚度一致且均匀，单位为m。

基于上文公式计算分析出单一测量贴片2中不同导热材料的热流密度值qi1、qi2、qi3(或qi1、qi2……qin)，对比上述热流密度qi1、qi2、qi3数值，若计算出的热流密度数值偏差全都在设定的范围内(2％--5％以内)，则该测量贴片2有效，该点热流密度取值为上述热流密度数值的平均值；若计算出的热流密度数值中有三分之二的数值偏差在设定的范围内(2％--5％以内)，则该测点的热流密度取值选择上述三分之二热流密度的平均值，且可判定该测量贴片2已在一定程度上老化；若计算出的热流密度qi3数值中有三分之一以上的数值偏差不在设定的范围内(2％--5％以内)，则说明该测点已老化，该测点为废点，需更换新的测量贴片2。

根据上述原则选择有效的测量贴片2，并分别计算出不同特征网格内的特征测点的热流密度，根据以下公式计算所述壁面任一网格的实时传热量：

qi＝ai·qi

其中，qi为该特征网格的传热量，单位为w，ai为该特征网格的面积，单位为㎡。

根据以下公式计算所述整个壁面各个特征网格的总传热量：

其中，q为所述壁面各个特征网格的总传热量，单位为w；n为划分网格的个数。

本发明的测量装置基于非接触式红外测温原理，避免了在装置安装过程中对被测物体1壁面的破坏，避免了对被测物体1壁面温度场及热流场的扰动，适用于测量大面积、非规则固体壁面，并且能够根据非规则固体壁面的结构特点及温度分布特征灵活选择测点数量及测点位置，进一步提高了该测量方法的精确度及应用范围。

实施例2：

如图4.1-4.2所示，本实施例与实施例1为并列技术方案，主要是测量贴片不同，其他测量装置和测量方式相同。

如图4.1所示，本实施例的测量贴片2为长方体测量贴片，具体的，长方体测量贴片的导热体为矩形导热片，长方体测量贴片包括第一矩形导热片、第二矩形导热片、第三矩形导热片和第四矩形导热片，具体的第一矩形导热片为银，第二矩形导热片为紫铜，第三矩形导热片为铝，第四矩形导热片为不锈钢，四个矩形导热片大小形态且拼成一个长方体。

需要注意的是，本实施例的矩形导热片的数量为偶数且设置4个，这是由于奇数矩形导热片无法拼接成完整的长方体导热片。

本实施例的长方体测量贴片还包括第二侧面保温材料4.1.1和第二中间保温材料4.1.3，第一矩形导热片、第二矩形导热片、第三矩形导热片和第四矩形导热片互相拼接为矩形且拼接处通过第二中间保温材料4.1.3隔离，第一矩形导热片、第二矩形导热片、第三矩形导热片和第四矩形导热片的直边通过第二侧面保温材料4.1.1包裹；长方体测量贴片外周布置第二贴合装置4.1.2，以保证长方体测量贴片能够牢固安置在被测物体1上。

本实施例的侧面保温材料和中间保温材料与实施例的作用相同。由于本实施例的测量贴片2为长方体测量贴片，因此对待测壁面进行网格划分的图像也不同，如图4.2所示为四边形的特征网格，主要适用于长方体测量贴片。

需要注意的，本实施例测量贴片的形状可以为圆柱体、长方体、多边体等，虽然实施例1和实施例2中分别对圆柱体测量贴片和长方体测量贴片做了具体的介绍，但是这并不限于本发明测量贴片的形状，只要能够将不同导热材料组成贴片的形式，且能够传导待测物的温度则为本发明的保护范围。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。