熱流傳感器的核心工作原理是基于熱傳遞效應(yīng),將熱流密度(單位時間通過單位面積的熱量)轉(zhuǎn)換為可測量的物理信號(如電壓、電阻),通過檢測該信號反推熱流大小。
1.核心物理基礎(chǔ)
熱流的本質(zhì)是熱量的傳遞,傳遞方式包括傳導(dǎo)、對流、輻射(傳感器通常針對單一或復(fù)合傳遞方式設(shè)計)。其核心遵循傅里葉定律:熱流密度與溫度梯度成正比,即熱量會從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞,且傳遞速率與溫差、材料導(dǎo)熱特性相關(guān)。
2.關(guān)鍵工作步驟
感知熱傳遞:傳感器與被測對象(如墻體、管道、設(shè)備表面)緊密接觸,熱量通過傳感器的敏感元件(如導(dǎo)熱片、熱電堆、薄膜電阻)傳遞。
產(chǎn)生物理響應(yīng):敏感元件因熱傳遞產(chǎn)生特定物理變化,常見兩種核心機(jī)制:
溫差型(如熱電堆式):利用塞貝克效應(yīng),兩種不同金屬組成的熱電偶串聯(lián),熱流通過時兩端形成溫差,產(chǎn)生正比于熱流的熱電勢(電壓信號)。
熱阻型(如薄膜電阻式):敏感材料的電阻隨溫度變化(正/負(fù)溫度系數(shù)),熱流導(dǎo)致材料溫度改變,電阻隨之變化,通過測量電阻值反推熱流。
信號轉(zhuǎn)換與輸出:將物理變化(電壓、電阻)通過電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(如4-20mA、0-5V),再經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備處理,得到熱流密度數(shù)值。
3.典型類型與原理差異
熱電堆式:應(yīng)用廣泛,結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)穩(wěn)定,通過多對熱電偶串聯(lián)放大信號,適用于穩(wěn)態(tài)和動態(tài)熱流測量。
熱阻式:響應(yīng)速度快,適用于瞬態(tài)熱流檢測,需校準(zhǔn)溫度系數(shù)以提高精度。
輻射式(針對輻射熱流):通過吸收輻射熱量使敏感元件升溫,結(jié)合黑體輻射特性計算輻射熱流密度。