階躍溫度及水流對工業(yè)鉑熱電阻響應(yīng)時(shí)間影響

摘要：在搭建的工業(yè)鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)臺上，選用熱響應(yīng)時(shí)間不同的工業(yè)鉑熱電阻溫度計(jì)作為被測對象，測試了在不同水溫及不同水流速度時(shí)鉑熱電阻溫度計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間。數(shù)據(jù)表明：階躍溫度及水流速度對鉑熱電阻溫度計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間確有影響，其中階躍溫度對鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的影響很小，流速對熱響應(yīng)時(shí)間較大的鉑熱電阻有明顯影響，對熱響應(yīng)時(shí)間較小的鉑熱電阻的影響很小。

0引言

工業(yè)鉑熱電阻作為接觸式測溫的傳感器在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。鉑熱電阻溫度計(jì)在測量變化較快的流體溫度時(shí)，一般不能立刻反映被測溫度，需要一定時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡狀態(tài)[1]。文獻(xiàn)[1]中還提到，常用溫度傳感器對階躍溫度的響應(yīng)來描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其中主要的指標(biāo)就是熱響應(yīng)時(shí)間。鉑熱電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間是指鉑熱電阻響應(yīng)一個(gè)溫度階躍變化，到達(dá)規(guī)定的百分比所需的時(shí)間，達(dá)到階躍量的10%、50%、90%的熱響應(yīng)時(shí)間記作τ0.1、τ0.5、τ0.9[2],[3]，通常使用比較多的是τ0.632。鉑熱電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。

1實(shí)驗(yàn)臺組成

鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)臺主要由以下幾部分組成：

1）恒溫水槽：恒溫水槽溫度波動(dòng)度及均勻度已校，滿足實(shí)驗(yàn)要求；恒溫水槽的設(shè)計(jì)直徑滿足“水流流道寬度不小于被校傳感器直徑的10倍”的要求；恒溫水槽內(nèi)配有變頻水泵，水由特殊設(shè)計(jì)的射流器射出，水槽底部吸入，從而可使水槽內(nèi)的水旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)水流旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)0.4~1.0m/s。

2）傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)接線箱可接鉑熱電阻和熱電偶。將被測傳感器的溫度信號轉(zhuǎn)化為1~5V電壓信號，輸出到示波器中。

3）示波器：接收電信號，實(shí)時(shí)顯示輸入電壓的變化，通過圖形分析，計(jì)算出鉑熱電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間。

4）微型多普勒流速儀：測試水流流速，使用時(shí)流速儀探頭與水流方向一致，測試桿與水流方向垂直。

2測試原理

將鉑熱電阻溫度計(jì)固定在支架上，在環(huán)境中充分靜置，恒溫水槽內(nèi)的水溫和流速達(dá)到預(yù)定值。利用多普勒流速儀測量水流旋轉(zhuǎn)速度后，被檢鉑熱電阻溫度計(jì)入水位置與多普勒流速儀測量位置一致。示波器啟動(dòng)信號記錄，機(jī)械臂將鉑熱電阻溫度計(jì)迅速置入水中，遇水瞬間，觸發(fā)信號啟動(dòng)，作為響應(yīng)時(shí)間的起始計(jì)算點(diǎn)。示波器記錄電壓曲線，待鉑熱電阻溫度計(jì)測試溫度與恒溫水槽溫度達(dá)到平衡，記錄停止。分析曲線，測出鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間。每種工況測量三次，熱響應(yīng)時(shí)間的重復(fù)性在10%以內(nèi)時(shí)數(shù)據(jù)有效，否則重新測量。

圖2給出了1#鉑熱電阻溫度計(jì)在70℃水溫、0.6m/s流速時(shí)示波器顯示圖形的界面，其余測試點(diǎn)類似。

3測試數(shù)據(jù)分析

表1和表2給出了1#和2#鉑熱電阻在不同水流速度和不同水溫下的熱響應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)。

  

  

圖3~圖5給出了30℃、50℃、70℃不同水溫時(shí)，1#、2#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間隨水流速度變化而變化的情況。

可以發(fā)現(xiàn)，對1#鉑熱電阻而言，在相同水溫時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間隨流速的增大呈現(xiàn)降低的規(guī)律，以30℃為例，水流速度0.6m/s時(shí)，1#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間為6.6s，水流速度0.8m/s時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間為5.5s，比水流速度0.6m/s時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間降低了16.7%；水流速度1.0m/s時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間為5.5s，比水流速度0.6m/s時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間降低了22.7%，下降幅度是很明顯的。在水溫50℃和70℃時(shí)，具有相似的規(guī)律性。50℃水溫時(shí)，1#鉑熱電阻在水流速度1.0m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間比水流速度0.6m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間降低了20.0%；70℃水溫時(shí)，則降低了17.5%。

不同的是，對2#鉑熱電阻而言，水流速度對其熱響應(yīng)時(shí)間的影響是不明顯的，甚至可以說是幾乎沒什么影響的。水溫30℃和70℃時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間均為2.6s，熱響應(yīng)時(shí)間沒有隨流速的增大而變化。而在50℃水溫時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間隨流速的增大反而呈現(xiàn)了少許增大的情況。水流速度1.0m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間比水流速度0.6m/s時(shí)增加了8.0%。

圖6-圖9給出了0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s水流速度時(shí)1#、2#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間隨水溫變化而變化的情況。

可以發(fā)現(xiàn)，隨著水溫由30℃增加至70℃，1#、2#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的變化是微小的。對1#鉑熱電阻而言，在水流速度0.6m/s，30℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為6.6s，50℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為6.5s，比30℃水溫時(shí)降低了1.5%；70℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為6.3s，比30℃水溫時(shí)降低了4.5%；在水流速度0.8m/s，70℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)降低了1.8%；在水流速度1.0m/s，70℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)降低了2.0%；

對2#鉑熱電阻而言，熱響應(yīng)時(shí)間都集中在2.6s附近，在水流速度0.6m/s，50℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)降低了3.8%；在水流速度1.0m/s，50℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)增加了3.8%。

可以認(rèn)為，兩支鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間受水流速度影響的規(guī)律是不同的，說明了在分析水流速度這一影響量時(shí)，鉑電阻的結(jié)構(gòu)也是需要考量的一個(gè)重要因素。

4結(jié)語

文章分析了階躍溫度和水流速度對工業(yè)鉑熱電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律。對熱響應(yīng)時(shí)間較大的1#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)時(shí)間下降明顯，1.0m/s水流速度時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比0.6m/s時(shí)下降了接近20%。而對熱響應(yīng)時(shí)間較小的2#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)時(shí)間的變化甚微。說明，水流速度的增大并不一定意味著熱響應(yīng)時(shí)間的下降，這與通常的認(rèn)知：流速增大換熱增強(qiáng)導(dǎo)致熱響應(yīng)時(shí)間的降低是不一致的。鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)是影響著其本身的熱響應(yīng)時(shí)間和熱響應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律的。從實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度階躍對鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的影響不大。

文章搭建了熱響應(yīng)時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)臺，對溫度階躍和水流速度對鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律進(jìn)行了初步的探索。在接下來的工作中，會(huì)逐步增加測試工況和鉑熱電阻數(shù)量，探索并擬合出不同種類鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間與水流速度的函數(shù)關(guān)系。以便了解鉑熱電阻在每一流速點(diǎn)的熱響應(yīng)時(shí)間情況。在后續(xù)的工作中，還可以開展LCSR法測得的熱響應(yīng)時(shí)間與置入法測得的熱響應(yīng)時(shí)間的比較研究。