专利摘要
本发明涉及一种实时在线测量装置及方法，尤其是一种二维表面热流密度实时在线测量装置及方法。按照本发明提供的技术方案，所述二维表面热流密度实时在线测量装置，包括基体以及能监测基体多点温度的基体温度传感器，所述基体温度传感器通过数据采集板卡与测量控制计算装置电连接，测量控制计算装置通过数据采集板卡能对基体温度传感器监测基体的多点温度同步采集；测量控制计算装置根据获取基体的多点温度值后，采用二维滤波方法计算确定基体的表面多点热流密度。本发明能解决锅炉、内燃机等热工转换设备表面热流密度的在线监测和测量难题，从而推动相关工业过程的优化和发展。
权利要求
1.一种二维表面热流密度实时在线测量装置，其特征是：包括基体（1）以及能监测基体（1）多点温度的基体温度传感器，所述基体温度传感器通过数据采集板卡（5）与测量控制计算装置（7）电连接，测量控制计算装置（7）通过数据采集板卡（5）能对基体温度传感器监测基体（1）的多点温度同步采集；测量控制计算装置（7）根据获取基体（1）的多点温度值后，采用二维滤波方法计算确定基体（1）的表面热流密度。
2.根据权利要求1所述的二维表面热流密度实时在线测量装置，其特征是：所述基体温度传感器为T型薄膜热电偶阵列，所述T型薄膜热电偶阵列包括J个T型薄膜热电偶（2），J为大于0的正整数；T型薄膜热电偶（2）采用磁控溅射镀膜方式设置在基体（1）上；
T型薄膜热电偶（2）的两端通过补偿导线（3）与集线盒（4）连接，集线盒（4）与数据采集板卡（5）连接。
3.根据权利要求2所述的二维表面热流密度实时在线测量装置，其特征是：所述基体（1）为单层或多层复合体；基体（1）为单层时，基体温度传感器位于基体（1）的表面；
基体（1）为多层复合体时，基体温度传感器位于基体（1）的表面，或位于多层复合体内；测量控制计算装置（7）能记录并显示输出所述基体（1）的表面热流密度。
4.根据权利要求2所述的二维表面热流密度实时在线测量装置，其特征是：测量控制计算装置（7）对获取的多点温度值采用巴特沃斯低通数字滤波器进行滤波，并在滤波后采用二维滤波方法计算得到基体（1）的表面热流密度；
测量控制计算装置（7）计算得到基体（1）的表面热流密度 Q为：
其中，
其中，矩阵
N和
敏感系数矩阵X为下三角矩阵并具有Toeplitz结构，
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵
分块矩阵F
5.根据权利要求4所述的二维表面热流密度实时在线测量装置，其特征是：通过比较法确定滤波参数m
确定真实热流密度与计算热流密度误差平方和
其中，
6.根据权利要求2或3或4或5所述的二维表面热流密度实时在线测量装置，其特征是：所述T型薄膜热电偶（2）的厚度为2 μm，在T型薄膜热电偶（2）的表面喷涂防氧化保护层。
7.一种二维表面热流密度实时在线测量方法，其特征是：提供待测量表面热流密度的基体（1），并在基体（1）上设置能监测所述基体（1）多点温度的基体温度传感器，所述基体温度传感器通过数据采集板卡（5）与测量控制计算装置（7）电连接，测量控制计算装置（7）通过数据采集板卡（5）能对基体温度传感器监测基体（1）的多点温度同步采集；测量控制计算装置（7）根据获取基体（1）的多点温度值后，采用二维滤波方法计算确定基体（1）的表面热流密度。
8.根据权利要求7所述二维表面热流密度实时在线测量方法，其特征是：所述基体温度传感器为T型薄膜热电偶阵列，所述T型薄膜热电偶阵列包括J个T型薄膜热电偶（2），J为大于0的正整数；T型薄膜热电偶（2）采用磁控溅射镀膜方式设置在基体（1）上；T型薄膜热电偶（2）的两端通过补偿导线（3）与集线盒（4）连接，集线盒（4）与数据采集板卡（5）连接；
所述基体（1）为单层或多层复合体；基体（1）为单层时，基体温度传感器位于基体（1）的表面；
基体（1）为多层复合体时，基体温度传感器位于基体（1）的表面，或位于多层复合体内；测量控制计算装置（7）能记录并显示输出所述基体（1）的表面热流密度。
9.根据权利要求8所述二维表面热流密度实时在线测量方法，其特征是：测量控制计算装置（7）对获取的多点温度值采用巴特沃斯低通数字滤波器进行滤波，并在滤波后采用二维滤波方法计算得到基体（1）的表面热流密度；
测量控制计算装置（7）计算得到基体（1）的表面热流密度 Q为：
其中，
其中，矩阵
N和
敏感系数矩阵X为下三角矩阵并具有Toeplitz结构，
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵
分块矩阵F
10.根据权利要求9所述二维表面热流密度实时在线测量方法，其特征是：通过比较法确定滤波参数m
确定真实热流密度与计算热流密度误差平方和
其中，
说明书
技术领域
本发明涉及一种实时在线测量装置及方法，尤其是一种二维表面热流密度实时在线测量装置及方法。
背景技术
表面热流密度表征单位面积内的传热量，是评价传热性能的重要参数。热流密度的准确测量在航天飞机热防护、电子设备热管理、金属热处理、锅炉热防护、核反应堆以及喷雾冷却等工业工程应用中尤为重要。在工业锅炉和内燃机领域，炉内或活塞壁面热流密度是判断装备运行状况的重要参数，需要实时在线监测；在瞬态喷雾冷却领域，表面热流密度表征了喷雾冷却的冷却能力，且热流密度的瞬态变化直接体现了冷却的不同阶段，是研究喷雾冷却表面传热特性的关键参数。然而，市场上缺乏二维表面热流密度实时在线测量装置及方法，极大限制了诸多工业工程技术的进一步发展。
表面热流密度的直接测量非常困难，一般基于表面或基体内部温度求解导热反问题（Inverse Heat Conduction Problem，IHCP）计算表面热流密度。导热反问题应用广泛，但IHCP的求解存在以下难点：1）、不适定性：当测量数据存在轻微误差或干扰时，在计算过程中不断被放大，导致热流密度反算结果可能出现强烈振荡或完全失真，这是IHCP工程应用的挑战之一。为解决不适定性问题，学者们开发了大量的反算方法和优化算法。2）、非线性：导热问题本身的非线性是求解IHCP的又一挑战，非线性普遍存在且无法避免，只能通过算法最大限度降低其对求解过程的影响。3）、计算量大：IHCP本身是多个正问题的反复迭代求解过程，导致计算耗时，难以实时输出等问题。4）、多层复杂结构加剧了导热问题的非线性，导致多层IHCP的直接求解困难。
然而现有热流密度计算方法如顺序函数法（Sequential FunctionSpecification，SFS）、传递函数法（Transfer Function，TR）、共轭梯度法（ConjugateGradient，CG）、奇异值分解法（Singular Value Decomposition，SVD）以及杜哈梅尔定理（Duhamel）等方法难以求解具有多层复杂结构的导热反问题，且大多数算法求解过程复杂，计算量巨大，难以实现表面热流密度的在线监测。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种二维表面热流密度实时在线测量装置及方法，其能解决锅炉、内燃机等热工转换设备表面热流密度的在线监测和测量难题，从而推动相关工业过程的优化和发展。
按照本发明提供的技术方案，所述二维表面热流密度实时在线测量装置，其特征是：包括基体以及能监测基体多点温度的基体温度传感器，所述基体温度传感器通过数据采集板卡与测量控制计算装置电连接，测量控制计算装置通过数据采集板卡能对基体温度传感器监测基体的多点温度同步采集；测量控制计算装置根据获取基体的多点温度值后，采用二维滤波方法计算确定基体的表面热流密度。
所述基体温度传感器为T型薄膜热电偶阵列，所述T型薄膜热电偶阵列包括J个T型薄膜热电偶，J为大于0的正整数； T型薄膜热电偶采用磁控溅射镀膜方式设置在基体上；
T型薄膜热电偶的两端通过补偿导线与集线盒连接，集线盒与数据采集板卡连接。
所述基体为单层或多层复合体；基体为单层时，基体温度传感器位于基体的表面；
基体为多层复合体时，基体温度传感器位于基体的表面，或位于多层复合体内；测量控制计算装置能记录并显示输出所述基体的表面热流密度。
测量控制计算装置对获取的多点温度值采用巴特沃斯低通数字滤波器进行滤波，并在滤波后采用二维滤波方法计算得到基体的表面热流密度；
测量控制计算装置计算得到基体的表面热流密度 Q为：
其中， 、 分别为时间项正则化参数、空间项正则化参数， 为敏感系数矩阵X的转置， 为矩阵 的转置， 为矩阵Hs的转置，Ht为时间项的一阶正则化分块矩阵，Hs为空间项的一阶正则化分块矩阵；F为滤波系数分块矩阵；
其中，矩阵 为空间项的一阶正则化分块矩阵Hs内的单元矩阵，矩阵I为时间项的一阶正则化分块矩阵Ht内的单元矩阵，矩阵I和矩阵 大小均为K × J，Ht和Hs为K × J的分块矩阵；K为热流密度数量，K ≤ J；Y为经过巴特沃斯低通数字滤波器进行数字滤波后的表面温度测量值分块矩阵；
N和
敏感系数矩阵X为下三角矩阵并具有Toeplitz结构，
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵 、空间项的一阶正则化分块矩阵Hs以及经过巴特沃斯低通数字滤波器进行数字滤波后的表面温度测量值分块矩阵Y能得到基体的表面热流密度Q的表达式；
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵 、空间项的一阶正则化分块矩阵Hs能得到滤波系数分块矩阵F，将滤波系数分块矩阵F简化后能得到分块矩阵Fs
分块矩阵Fs内的元素均为大小为K × J的滤波系数矩阵子块，利用分块矩阵Fs，通过比较法确定滤波参数mp、滤波参数mf以及时间项正则化参数 、空间项正则化参数 。
通过比较法确定滤波参数mp、滤波参数mf以及时间项正则化参数 、空间项正则化参数 的过程为：
确定真实热流密度与计算热流密度误差平方和 的期望值，其中，期望值表示为，
其中， 表示对角线元素之和， 为测量随机误差的标准差， 为矩阵 的转置，q为基体的三角脉冲热流密度，通过选定的滤波系数阈值
所述T型薄膜热电偶的厚度为2 μm，在T型薄膜热电偶的表面喷涂防氧化保护层。
一种二维表面热流密度实时在线测量方法，提供待测量表面热流密度的基体，并在基体上设置能监测所述基体多点温度的基体温度传感器，所述基体温度传感器通过数据采集板卡与测量控制计算装置电连接，测量控制计算装置通过数据采集板卡能对基体温度传感器监测基体的多点温度同步采集；测量控制计算装置根据获取基体的多点温度值后，采用二维滤波方法计算确定基体的表面热流密度。
所述基体温度传感器为T型薄膜热电偶阵列，所述T型薄膜热电偶阵列包括J个T型薄膜热电偶，J为大于0的正整数；T型薄膜热电偶采用磁控溅射镀膜方式设置在基体上；T型薄膜热电偶的两端通过补偿导线与集线盒连接，集线盒与数据采集板卡连接；
所述基体为单层或多层复合体；基体为单层时，基体温度传感器位于基体的表面；
基体为多层复合体时，基体温度传感器位于基体的表面，或位于多层复合体内；测量控制计算装置能记录并显示输出所述基体的表面热流密度。
测量控制计算装置对获取的多点温度值采用巴特沃斯低通数字滤波器进行滤波，并在滤波后采用二维滤波方法计算得到基体的表面热流密度；
测量控制计算装置计算得到基体的表面热流密度Q为：
其中， 、 分别为时间项正则化参数、空间项正则化参数， 为敏感系数矩阵X的转置， 为矩阵 的转置， 为矩阵Hs的转置，Ht为时间项的一阶正则化分块矩阵，Hs为空间项的一阶正则化分块矩阵；F为滤波系数分块矩阵；
其中，矩阵 为空间项的一阶正则化分块矩阵Hs内的单元矩阵，矩阵I为时间项的一阶正则化分块矩阵Ht内的单元矩阵，矩阵I和矩阵 大小均为K × J，Ht和Hs为K × J的分块矩阵；K为热流密度数量，K ≤ J；Y为经过巴特沃斯低通数字滤波器进行数字滤波后的表面温度测量值分块矩阵；
N和
敏感系数分块矩阵X为下三角矩阵并具有Toeplitz结构，
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵 、空间项的一阶正则化分块矩阵Hs以及经过巴特沃斯低通数字滤波器进行数字滤波后的表面温度测量值分块矩阵Y能得到基体的表面热流密度Q的表达式；
根据上述敏感系数矩阵X、时间项的一阶正则化分块矩阵 、空间项的一阶正则化分块矩阵Hs能得到滤波系数分块矩阵F，将滤波系数分块矩阵F简化后能得到分块矩阵Fs
分块矩阵Fs内的元素均为大小为K × J的滤波系数矩阵子块，利用分块矩阵Fs，通过比较法确定滤波参数mp、滤波参数mf以及时间项正则化参数 、空间项正则化参数 。
通过比较法确定滤波参数mp、滤波参数mf以及时间项正则化参数 、空间项正则化参数 的过程为：
确定真实热流密度与计算热流密度误差平方和 的期望值，其中，期望值表示为，
其中， 表示对角线元素之和， 为测量随机误差的标准差， 为矩阵 的转置，q为基体的三角脉冲热流密度，通过选定的滤波系数阈值
本发明的优点：
1、基于T型薄膜热电偶能实现多点测温方式，具有极高的响应速度，测量控制计算装置能实现多通道的温度采样，可监测基体表面或内部多点温度的快速变化，相比于单点测量方式，简单高效经济，并可保证测量的可重复性和可靠性。
2、在基体表面和T型薄膜热电偶表面同时喷镀防氧化保护层，T型薄膜热电偶与补偿导线采用焊接方式连接，既牢固可靠，又可保证良好的导电性，且适用于高温、高氧化和高腐蚀恶劣环境下的温度测量。
3、采用二维滤波算法进行表面热流密度计算，该算法计算量小、精确度高，且适用于二维多层复杂结构材料的表面热流密度计算，测量控制计算装置可以实现多点温度和热流密度的在线监测和测量，从而有效解决如工业锅炉和内燃机领域中瞬态表面传热过程的在线监测和调控难题。
4、结构简单、长期运行安全可靠，可用于高温、高腐蚀等极端恶劣环境下表面热流密度的在线监测和测量，可广泛应用于工业锅炉、内燃机、电子器件热管理等工业工程领域中。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2是本发明滤波参数随滤波系数选取阈值的变化图；
图3是本发明误差参数对数值随正则化参数的变化图；
图4是假设热流密度与计算热流密度的比较图；
图5为基体为单层环氧树脂时的三角脉冲热流密度。
图6是本发明的流程图。
附图标记说明：1-基体，2-T型薄膜热电偶，3-补偿导线，4-集线盒，5-数据采集板卡，6-热流密度计算模块以及7-测量控制计算装置。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了能解决锅炉、内燃机等热工转换设备表面热流密度的在线监测和测量难题，本发明包括基体1以及能监测基体1多点温度的基体温度传感器，所述基体温度传感器通过数据采集板卡5与测量控制计算装置7电连接，测量控制计算装置7通过数据采集板卡5能对基体温度传感器监测基体1的多点温度同步采集；测量控制计算装置7根据获取基体1的多点温度值后，采用二维滤波方法计算确定基体1的表面热流密度。
具体地，所述基体1为单层或多层复合体；基体1为单层时，基体温度传感器位于基体1的表面；基体1为多层复合体时，基体温度传感器位于基体1的表面，或位于多层复合体内；测量控制计算装置7能记录并显示输出所述基体1的表面热流密度。当基体1为多层复合体时，所述多层复合体间可具有不同热物理性质。当基体温度传感器位于多层复合体内，此时，基体温度传感器所测温度为内部温度，本技术领域人员可知，二维表面热流密度既可通过表面温度测量值又可通过内部温度测量值进行反算。基体温度传感器所在的两层复合体之间填充具有高导热系数的导热硅脂，从而避免空气残留带来的导热热阻。
基体1的材料可以为金属或非金属，在对基体1进行二维表面热流密度测试时，基体1也不一定要静态放置，例如内燃机活塞顶部往复运动时热流密度也可以测量。
进一步地，所述基体温度传感器为T型薄膜热电偶阵列，所述T型薄膜热电偶阵列包括J个T型薄膜热电偶2，T型薄膜热电偶2采用磁控溅射镀膜方式设置在基体1上；
T型薄膜热电偶2的两端通过补偿导线3与集线盒4连接，集线盒4与数据采集板卡5连接。
本发明实施例中，通过磁控溅射镀膜技术在基体1表面沉积2 µm厚T型薄膜热电偶2，为避免热电偶之间相互干扰，相邻T型薄膜热电偶2间隔距离为2mm。J个T型薄膜热电偶2在基体1上或基体1内形成T型薄膜热电偶阵列。具体实施时，基体1上T型薄膜热电偶2的数量根据加工工艺以及基体1的尺寸确定，即根据实际选择J的具体大小，J为大于0的正整数。T型薄膜热电偶2磁控溅射镀膜在基体1上的工艺过程与现有工艺相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。将铜和康铜分别作为T型薄膜热电偶2的正极材料、负极材料，T型薄膜热电偶2与补偿导线3采用焊接方式连接。为防止镀膜氧化，至少在T型薄膜热电偶2的表面喷涂防氧化保护层，所述防氧化保护层可为二氧化硅层，防氧化保护层的厚度为0.05µm，当然，也可以在基体1上也喷涂防氧化保护层。T型薄膜热电偶2平均电阻约为20 ，导电性良好。测量误差小于±0.5%，动态响应时间为1.2 µs，可满足表面多点瞬态温度的同步快速测量需求。
具体实施时，数据采集板卡5型号为PCIe-6361，测量控制计算装置7采用计算机，数据采集板卡5直接内置于计算机的PCI插槽中，数据采集板卡5具有16位模拟输入和2位模拟输出端口，数据采集板卡5与测量控制计算装置7配合可实现多通道表面温度快速同步采集。
进一步地，测量控制计算装置7对获取的多点温度值采用巴特沃斯低通数字滤波器进行滤波，并在滤波后采用二维滤波方法计算得到基体1的表面热流密度；
测量控制计算装置7计算得到基体1的表面热流密度Q为：
其中， 、 分别为时间项正则化参数、空间项正则化参数， 为敏感系数矩阵X的转置， 为矩阵 的转置， 为矩阵Hs的转置，Ht为时间项的一阶正则化分块矩阵，Hs为空间项的一阶正则化分块矩阵；F为滤波系数分块矩阵； 为 的矩阵逆运算。
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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