All-Ceramic Heat-Flux Sensor for Continuous Measurement Under High Temperature and Harsh Environmental Conditions

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作者
Helei Dong,Yanyan Niu,Hanyu Wang,Tao Liu,X. Li,Jijun Xiong,Yong Ruan,Qiulin Tan
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72: 1-8 被引量:6
标识
DOI:10.1109/tim.2023.3282652
摘要

In this study, an all-ceramic heat-flux sensor with high temperature resistance and no water-cooling system was designed to address the problems of short effective lifespan and low sensitivity of heat-flux sensors under harsh ultra-high temperatures and high heat-flux conditions. The sensor components comprised high temperature resistant ceramic materials, that is, alumina (Al 2 O 3 ), indium tin oxide (ITO)-In 2 O 3 thermopile, and nano SiO 2 . Structural parameters of the proposed heat-flux sensor were optimized via simulations. A high-temperature test platform was built to evaluate the sensor performance; the sensor exhibited an excellent thermoelectric performance. The output voltage of the sensor reached 9.96 mV at 1300 °C, and the average sensitivity in the range of (50–340) kW/m 2 was 31.5 μV/(kW∙m -2 ). The drift rate of the proposed sensor in the high-temperature maintenance experiment at 1200 °C for 5 h was 2.7 (kW/m²)∙h -1 . The time constant of the sensor under pneumatic heating was 2.3 s. The proposed sensor can continuously work at ultra-high temperatures; therefore, it can be practically employed in the heat flux measurement of turbines and supersonic aircrafts.
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