溫度測量技術的應用(四)
發布時間：2017-09-01
在科研生產和社會生活中,經常會遇到流體溫度測量的問題。由于流體的熱物理性質、流動參數以及環境條件千差萬別,需要根據測量的要求選擇合適類型的溫度傳感器和測量方法。一般來講與液體介質相比,對氣體介質溫度的測量需要考慮更多的問題,因此本文主要以氣體介質為主進行介紹。
1接觸法測量流體溫度的影響因素
1?1導熱誤差和輻射誤差
如圖1所示,當使用溫度傳感器測量流體溫度時(假設流體溫度大于安裝壁面溫度),對于傳感器而言,在平衡狀態下熱交換情況包括:①流體對傳感器的對流換熱qk;②傳感器桿的溫度梯度引起的傳導熱流qc;③傳感器頭部與壁面的輻射換熱熱流qr。要想測量流體的真實溫度,就需要使傳感器感溫元件處的溫度與流體溫度相等。但由于導熱熱流和輻射熱流的存在,使得熱平衡時必然存在著流體對傳感器的對流熱流,即流體和傳感器感溫元件間必定存在溫差,從而帶來測量誤差。由導熱熱流和輻射熱流導致的測溫誤差分別稱為導熱誤差和輻射誤差。
1?2速度誤差
當測量高速氣流的總溫時,就需要考慮溫度傳感器的速度誤差,即由于氣流運動的動能不能在傳感器測點處完全滯止為熱能而帶來的測溫誤差,一般用恢復系數來表示傳感器動溫恢復的程度。
1?3動態誤差
當被測氣流溫度快速變化時,如溫度突然升高或降低,或者產生高頻的溫度脈動時,為實時準確測量氣流溫度,就需要溫度傳感器能快速地響應。實際上溫度傳感器都有一定的熱容量,必然存在熱慣性,不能立刻反映氣流溫度的變化,由此帶來的誤差稱為動態誤差。
2低速氣流溫度的測量
對于低速氣流,或者是對靜止空氣、低壓力氣流的溫度測量,其共同特點是被測介質與傳感器之間的對流換熱系數很小,容易導致測溫誤差增大。改善的手段是采取措施增大對流換熱系數,并設法減小傳感器的輻射熱損失和傳導熱損失。
2?1增加對流換熱的措施
1)使用帶翅片的傳感器,增加對流換熱面積,且翅片使用高導熱、低發射率的材料制作,以減小輻射誤差。
2)在保證強度的前提下盡可能使用直徑小的傳感器,且傳感器垂直氣體流動方向安裝,以增加對流換熱系數。
3)盡可能把傳感器安裝在管道彎頭等有紊流的部位,在這些區域流體經常出現無規則的旋渦,從而改善對流換熱狀況,提高對流換熱能力。
4)采用抽氣式熱電偶,利用外力來提高流過傳器測量端的那一部分被測氣流的速度,以增加對流換熱。
2?2減小輻射熱流的措施
1)使用低發射率的偶絲材料或在其表面涂覆低發射率的金屬如金、銀或鉑。
2)在傳感器和被測流體壁面之間使用屏蔽罩。屏蔽罩通常做成圓筒形,有時為了進一步提高屏蔽效果,可采用多層屏蔽罩。設計多層屏蔽罩時,要注意層間保持一定距離,以減少氣流在層間的流動阻力,提高流體對每一層的對流換熱能力。為了減小端部的熱輻射損失,通常把熱電偶熱端放在內層屏蔽罩內,大約從氣流進口算起約2~3倍內管直徑處為宜。
3)加熱傳感器屏蔽罩使屏蔽罩的溫度接近被測溫度,以減小輻射的影響
2?3減小導熱熱流的措施
1)采用橫截面小、長度大,且材料導熱系數小的傳感器。圖2所示是幾種測量管道中流體溫度的傳感器安裝方式,一般建議測量流動氣體的溫度時,溫度傳感器的長徑比(長度和直徑的比值)不小于6,對于靜止氣體應不小于15。
2)傳感器要沿等溫線放置,如圖2中(a)所示,如果空間不夠時,可以如圖2中(b), (c)方式安裝得到類似的效果。
3)在傳感器根部進行保溫或加熱,減小其與測量端的溫差,以減小導熱誤差。
2?4利用組合熱電偶、零直徑外推法測量低速氣流溫度
當使用不同直徑的熱電偶測量氣流溫度時,由于換熱情況不同,處于同一被測溫度下的幾支直徑不同熱電偶的指示溫度就會出現差別。根據傳熱學的穩態傳熱理論建立模型,可以把氣流的真實溫度計算出來。下面以對焊式雙熱電偶法舉例說明。設兩對熱電偶的偶絲直徑分別為d1和d2,與氣流平衡時的示值和換熱系數分別為Tj1,Tj2和α1,α2,它們的發射率均為ε,壁溫為Tw。兩支熱電偶均垂直于氣流安裝,插入長度足夠大使導熱誤差可以忽略。于是可得
通過合理設計雙熱電偶的結構,使關系容易確定,則聯立上式即可求出氣流溫度Tg。
理論上,隨著偶絲直徑趨近于0,導熱誤差和輻射誤差也趨近于0,傳感器測量的溫度就趨近于氣流的真實溫度。因此使用不同直徑而結構形式相同的熱電偶測量氣流的溫度,然后通過適當的擬合方法外推到直徑為0的情況,就可以得到氣流的真實溫度,這種方法稱為零直徑外推法。
3高速氣流溫度的測量
一般來講,當測量氣流總溫時,流速越大,傳熱效果越好,測量誤差就越小。但是,當氣流速度高到一定程度之后又會引起新的誤差,即速度誤差。顯然,提高氣流在傳感器周圍的滯止程度是減小速度誤差的有效方法。在工程測量中,減小速度誤差的方法是采用屏蔽滯止的方式,即在熱電偶接點的外面加裝一個屏蔽滯止罩,形成一個阻滯室,氣流在阻滯室中受到第一次阻滯,流速下降,氣流的動能受到第一次轉換;在阻滯室內,低速流動的氣流又受到熱接點的第二次阻滯,使氣流的大部分動能轉換成了熱能,從而提高傳感器的恢復系數。
根據滯止罩的結構形式不同,有多種形式的總溫傳感器,下面列舉幾種不同結構(見圖3)供測量時選用。
圖3 (a)所示是一種具有流線形滯止罩的總溫熱電偶傳感器,對被測流場和溫場的破壞最小。在傳感器前方開有若干個小孔,被測氣流從這些小孔進入,流過熱電偶熱端后從側后方兩個小孔流出。因為入口總面積大于出口面積,氣流在罩內的流動受到滯止,而把速度降下來并保持其相對穩定,在寬的流速范圍內其恢復系數可保持在0?95~0?98之間。
圖3 (b)所示傳感器也帶有流線形滯止罩。滯止罩的正前方開孔作為進氣口,后方開孔為排氣口,熱電偶熱端置于兩孔之間。這種結構的熱電偶,當馬赫數Ma<0?45時,恢復系數隨著Ma增加而增加,當1>Ma>0?45時,恢復系數大于0?92,并保持罩內流速相對穩定,適于測量Ma大于0?45的氣流溫度。
圖3 (c)是一種為測量噴氣發動機排氣溫度用的總溫傳感器,它具有圓柱形的滯止罩,罩的側面分別有進氣口和排氣口。這種結構的傳感器與圖3(a)(b)相比結構簡單,其恢復系數也可達0?95。
圖3 (d)所示是一種具有圓筒形滯止罩的總溫傳感器,在圓筒正前方迎向氣流的一面作為進氣口,圓筒后方與鎧裝熱電偶連接,在鎧裝熱電偶插入罩內的一小段上,除去外層和絕緣層露出熱電極后焊接起來組成熱端,在熱端后的圓筒周邊上開有8個小孔,作為氣流出口,其恢復系數可達0?95~0?98。
圖3 (e), (f)和(g)是具有半屏狀滯止罩的總溫傳感器,滯止罩是一個空心圓柱體,在其迎流方向上去掉一部分,以便露出熱電偶熱端。測量時滯止罩應與氣流垂直安放,氣流受到熱端和屏的滯止速度近于零,其恢復系數可以做到0?95~0?98,且基本與馬赫數Ma無關。這類總溫傳感器結構簡單,加工容易,但在同樣情況下,對屏的強度要求高,在實際測溫中對被測溫斷面上的流場和溫度場的影響也較其它幾種大。
不管是哪種結構,屏蔽罩進排氣孔的面積比將影響屏蔽罩內的氣流速度,為了減小速度誤差,應該采用小的內流速度;而為了減小輻射誤差和導熱誤差,則應該采用大的內流速度。在這種相互矛盾的情況下,要使熱電偶具有最小的綜合測溫誤差,就存在著最佳內流速度,在設計時需要注意。
4高溫氣流溫度的測量
在高溫情況下,氣流溫度測量的誤差主要是輻射誤差,一般采用屏蔽式(單屏或雙屏)結構來消除。其速度誤差和導熱誤差可以根據前面的分析綜合考慮。由于測量溫度很高,如果標準分度的高溫熱電偶不能滿足要求,可以選用測溫更高的非標準化的熱電偶來進行測量,如PtRh40-PtRh20熱電偶、銥銠熱電偶、鎢錸熱電偶,或者一些非金屬的熱電偶等。如果熱電偶材料或保護套管材料溫度不能滿足要求,可以考慮使用動態法來測量。一般是將一裸絲熱電偶傳感器熱端迅速插入氣流中,在氣流的加熱下溫度升高,但是在達到該熱電偶允許使用的上限溫度之前就迅速將其抽出,記錄熱電偶插入氣流中的這段時間的輸出變化曲線,再通過反演就可得出被測氣流的真實溫度。由于這種方法需要預先知道傳感器的動態特性,因此測量誤差較大。
還有一種脈沖測量法可以得到更準確的結果。將熱電偶熱端迅速地插入被測高溫介質中,在溫度超其正常使用溫度前迅速取出冷卻,然后重復進行。在這個過程中,傳感器感受的溫度是周期波動的。如果在被測介質中停留時間是τi,彈出后在環境中停留的時間是τo,假設彈入和彈出時間可以忽略,且在測量過程中換熱系數保持不變,則根據傳感器被加熱和冷卻時換熱量平衡。
式中:kg-t,kt-a分別為被測流體對傳感器和傳感器對環境的換熱系數;Tg,Ta和Tt分別為流體溫度、環境溫度和傳感器的平均溫度。
在式(2)中,由于換熱系數很難準確計算或測量,因此可以將t看作一個變量,加上被測量Tg共有兩個變量。為了求得上述兩個變量,可以改變τi和τo再進行一次重復測量,根據公式(2)得到一個二元一次方程組,求解可得
5氣流溫度的快響應測量
在測量溫度快速變化或脈動變化的氣流溫度時,需要用到快響應的溫度傳感器。一般使用細絲熱電偶,即直徑0?1mm以下的細絲熱電偶,在氣流中其時間常數一般可以達到幾十毫秒。但由于偶絲直徑小,強度低,在使用中很容易被損壞,通過減小偶絲直徑和結點大小提高其動態性能,提高的空間已經不大。有時為了提高細絲熱電偶的可靠性,可以采用數支并聯的方式,在測量過程中只要不完全損壞仍可以正常工作,得到的測量結果為幾個測點處的平均值。
另外還可以采用薄膜溫度傳感器,即用真空鍍膜的方法在絕緣基體上制作微米級厚度的傳感器薄膜,這種傳感器頻響可以達到微秒級。但由于基體本身也是一個大的熱容體,很難兼顧溫度測量的準確性。此有必要對高頻響溫度傳感器的動態補償和分析方法進行研究,通過適當算法補償,實現快速、準確的溫度測量。
6液體溫度的測量
與氣體相比,液體對流換熱系數一般大很多倍,提高測量準確度比氣體要容易,在相同的測量準確度下要求傳感器插入的深度也會大大減小。圖4表示了一種不銹鋼套管的Pt100溫度傳感器在要達到相同的測溫誤差情況下,在不同的介質中要求的插入深度。在工業生產領域中,測量的介質很多帶有腐蝕性,這就要求傳感器保護套管有抗腐蝕能力,因此保護套管的選擇是非常重要的。作為保護管材料,主要有金屬、非金屬和金屬陶瓷三類。金屬保護管的特點是機械強度高,韌性好,抗渣性強,因此多用于要求具有足夠機械強度的場合;非金屬保護管主要有高熔點氧化物及復合氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等,般氧化物和硅化物可以在氧化氣氛下使用,其他在中性或還原氣氛下使用,具有耐高溫,但抗熱振性差的特點;金屬陶瓷保護套管包括Al2O3基、MgO基、ZrO2基和碳化鈦基等幾種,兼具金屬和陶瓷的優點,耐高溫、抗腐蝕,具有很好的應用前景。
7非接觸法測量氣體溫度
7?1直接測量法
由于氣體具有選擇性吸收特性,因此在使用紅外溫度計直接測量時有效波長應與被測氣體的吸收波長一致,被測氣體的厚度要足夠大以消除背景的影響。值得注意的是很多氣體的光譜吸收率是隨溫度變化的,比如1800K的CO2氣體是300K時的1000倍,因此可以透過低溫CO2氣體層測量高溫CO2氣體的溫度。很多紅外溫度計會根據特定的被測氣體成分和溫度測量范圍來設計,在使用時也要根據被測對象進行選擇。表1給出了針對幾種氣體在測量時應選擇的測量波長。
對一些具有連續發射光譜的氣體介質,如發光火焰,由于其中含有煙粒能發射連續光譜,也可以像測量固體溫度時用寬譜帶的輻射高溫計測量。但大多數情況下是連續光譜和吸收光譜的疊加,情況比較復雜,還需要針對具體情況來定。
7?2間接測量法
當用紅外溫度計直接測量氣體介質溫度時,如果氣體介質是透明的(針對紅外溫度計的測量波段而言),實際測量的是管道內襯表面的溫度,由于其溫度比被測介質溫度低,將會導致測量誤差,因此這種方法特別不適合水冷的壁面。這時可以在管道內安裝一個特殊陶瓷材料制作的靶標,最好要求材料的發射率高,而熱導率低,且該靶標做成中空結構,以增大對流換熱面積,減小向壁面的導熱。靶標一般放置在最高的氣流溫度和氣流速度的位置,且遠離壁面,使用輻射溫度計對此靶標進行測量可以得到氣流的溫度。
將一定長度(一般長徑比大于10)的空腔放在被測流體中達到熱平衡,就可以利用光電(熱電)探測器探測空腔感受的能量而測量介質溫度,這種方法稱為空腔黑體式溫度測量方法。由于空腔可近似認為黑體,因此不受被測介質發射率的影響,是介于接觸法和非接觸法之間的方法,兼有兩種方法的優點,如測量溫度準確、安裝使用方便、性價比高等,可以用于氣體或液體內部溫度的測量。
8結束語
綜上所述,在使用接觸法測量流體溫度時,主要考慮如何減小導熱誤差、輻射誤差、速度誤差和動態誤差等;在使用非接觸輻射測溫方法時,主要考慮發射率和測量波長的選擇。總之,要綜合考慮傳感器與被測介質和環境的換熱情況,根據測量的要求和特點,參照以上幾類情況給出的原理分析和建議,合理設計和選用傳感器和測量方法,實現溫度的準確測量。
摘自：中國計量測控網
