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補償式高溫氣流溫度測量方法和測量儀的制作方法

時間:2023-10-25    作者: 管理員

專利名稱:補償式高溫氣流溫度測量方法和測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種高溫氣流溫度測量方法及其裝置,特別涉及一種補償式高溫氣流測量方法和測量儀。
熱電偶用于溫度測量是目前國內(nèi)外最為常用的溫度傳感元件之一,在很大的溫度范圍內(nèi)(100℃-2000℃)熱電偶測溫幾乎是最為常用的方法,因而被廣泛地應(yīng)用于航空航天、化學(xué)、冶金以及能源與動力工程等領(lǐng)域內(nèi)的科研與生產(chǎn)過程中。多年來人們在如何正確使用與巧妙利用熱電偶進行溫度測量的工作中進行過不少深入細致地研究。例如1989年12月日本科學(xué)家Kimura,Hideo發(fā)明的“熱電偶測溫方法與裝置”(文獻1、EP0347490)有效地解決了B4C/C熱電偶及類似問題的冷端溫度補償問題,使測量精度得以提高。然而不少場合下利用熱電偶測溫仍存在著一定程度的問題,例如本發(fā)明所涉及的高溫氣流溫度測量過程,由于被測氣流通常是流經(jīng)爐室,煙道以及一些換熱表面,因此熱電偶探頭除與高溫氣流間發(fā)生對流換熱外,還會與周圍的一些較低溫度的固體表面發(fā)生強烈的輻射換熱,其結(jié)果致使熱電偶的實際指示值低于真實的氣流溫度值,嚴重時這種偏離可高達200-300℃。毫無疑問,這樣的測量結(jié)果將嚴重地影響到上述領(lǐng)域內(nèi)的科研水平與生產(chǎn)過程。
長期以來為彌補這一缺陷的影響,人們設(shè)想并采用過多種方法與裝置,其中的典型代表有1、零直徑外推法這種方法是基于熱電偶探頭對流放熱系數(shù)隨直徑的減小而增大的原理而構(gòu)思的,不難想象熱電偶探頭直徑趨近于零時對流換熱的能力將遠遠超過輻射換熱的能力,此時熱電偶的讀數(shù)即為實際氣流的真實溫度。然而實際探頭直徑不可能很小,所以這一方法是用一組不同直徑的熱電偶同時測量,然后外推出零直徑時的結(jié)果。由于外推結(jié)果很不直接,可靠性較差,多熱電偶測量十分麻煩,更由于實際外推時需推至一個假想的負直徑值,因此實際測量過程中很少采用。
2、雙熱電偶法采用兩支不等徑熱電偶探頭同時測量,并借助于傳熱學(xué)原理中直徑與對流放熱系數(shù)的關(guān)系,在氣流通道壁面當量溫度已知條件下,可計算出實際氣流溫度。由于傳熱學(xué)原理提供的關(guān)系式,對流放熱系數(shù)隨Re及氣流沖刷方向而變化,加之氣流通道壁面的當量溫度也很難知道,使用起來十分困難。
3、三熱電偶法采用三只不等徑熱電偶探頭同時測量,并借助傳熱學(xué)原理中直徑與對流放熱系數(shù)的關(guān)系,可以計算出實際氣流的溫度。與雙熱電偶法相同,此法仍無法克服給定直徑與對流放熱系數(shù)關(guān)系的不可靠性的弱點,更由于直接測量三探頭間不大的溫差時準確性較差,且計算式具有很大的傳遞誤差而很難使用。
4、抽氣遮熱罩法這種方法一方面利用屏蔽遮擋探頭與氣流通道壁面的輻射換熱能力,一方面通過增大探頭表面的氣流速度,增大對流換熱能力,使得測量結(jié)果具有比較高的精確程度。長期以來,此法一直是高溫氣流溫度測量的基本方法。
但是這種方法也存在有下列不足(1)測量需采用較高的抽氣速度,一般情況下高達100-200m/s,這無疑使熱電偶結(jié)構(gòu)大為復(fù)雜,既要抽氣又要用水冷卻,操作使用十分不便。
(2)測量指示溫度原則上隨抽氣速度的增加而接近其真實氣流溫度。但過高的抽氣速度將使探頭前的滯止溫度超過實際氣流溫度,這時測溫結(jié)果隨抽氣速度單調(diào)上升,使得使用者難于合理地控制抽氣速度。
(3)遮熱罩的層數(shù)對熱電偶效率有著至關(guān)重要的影響,但過多的層數(shù)將使熱電偶結(jié)構(gòu)大為復(fù)雜,而較少的層數(shù)屏蔽效果又不理想,加之,含灰氣流的堵塞問題及高速抽氣時遮熱罩的磨損蝕問題,極大地限制了它的使用。
(4)盡管原則上抽氣熱電偶的效率可以由實驗作出,但隨測量環(huán)境的不同,熱電偶的效率對每次測量是不盡相同的。所以準確測量十分困難且最終的測量誤差很難估計。
文獻2、岑可法鍋爐燃燒試驗研究方法及測量技術(shù),水利電力出版社1987年第一版PP186-2103、葉大均熱力機械測試技術(shù),機械工業(yè)出版社1983年第一版PP138-140本發(fā)明旨在提供一種采用熱電偶的補償式高溫氣流溫度的測量方法及實現(xiàn)這種方法的測量儀器,具有精確度高、可直接測量的特點。
本發(fā)明的補償式高溫氣流溫度測量儀的基本原理如下由于輻射換熱的影響,用普通熱電偶直接測量高溫氣流溫度時熱電偶的輸出指示將低于真實的氣流溫度。若對熱電偶探頭進行適當?shù)丶訜幔a償這一散熱影響,無疑使熱電偶指示出真實的氣流溫度。但關(guān)鍵的問題是如何控制這一加熱功率。
設(shè)想將兩支定性尺寸不同的熱電偶插入高溫氣流,并對探頭進行加熱。則兩探頭與外界環(huán)境傳熱的熱平衡方程為α1(Tg-T1)-ar(σT41-q)=-e1α2(Tg-T2)-ar(σT42-q)=-e2α-探頭表面對流放熱系數(shù)W/m2KTg-氣流絕對溫度KT-探頭表面溫度Kσ-玻爾茲曼常數(shù)(567×10-8W/m2K4)ar-探頭黑度q-環(huán)境對探頭的投射輻射W/m2下標“1”、“2”分別代表不同定性尺寸的探頭不難看出,若T1=T2-Tg,則對流換熱的影響將自行抵銷,而加熱功率即為維持探頭表面溫度恒等于氣流溫度所需提供的凈輻射熱交換熱量,因此e1=e2。換句話說,當兩探頭的加熱功率滿足e1=e2的條件且兩熱電偶的溫度指示值相同即T1=T2,則任意一支熱電偶探頭的表面溫度即為真實的氣流溫度。
由此可以得出本發(fā)明的測量方法(1)對兩個定性尺寸不同的熱電偶探頭進行加熱;
(2)控制熱電偶探頭表面的加熱功率比相同;
(3)其次,調(diào)節(jié)加熱功率使兩探頭表面的溫度指示相同;
(4)讀出任一支熱電偶的溫度值,即為實際測量值。
實現(xiàn)上述測量方法的測量儀的特征是(1)在普通熱電偶測桿熱端部裝有兩個定性尺寸不同的熱電偶探頭;
(2)在兩定性尺寸不同的熱電偶探頭內(nèi)分別裝設(shè)有各自的電加熱爐芯;
(3)在兩定性尺寸不同的熱電偶探頭的外表面上埋設(shè)或焊接有各自的熱電偶節(jié)點;
(4)加熱電源將保證兩探頭外表面上兩熱電偶節(jié)點處的比加熱功率相同、兩熱電偶節(jié)點處的溫度相等。
圖1是本發(fā)明的測量框圖。
圖2是測量單元(17)的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3是熱電偶接線圖。
圖4是加熱電源(16)的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是補償調(diào)節(jié)框圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的測量方法和測量裝置作詳細的說明。
參照圖1、2、3、4,本發(fā)明的測量儀包括一測量單元(17),所說的測量單元(17)包括一測桿(7),測桿(7)的熱端配置有兩個定性尺寸不同的探頭(1)、(4),在探頭(1)、(4)的內(nèi)部分別配置有各自的加熱爐芯(2)、(5),在探頭(1)、(4)的外表面上分別埋設(shè)或焊接有各自的熱電偶(3)、(6),測桿(7)上開有冷卻工質(zhì)的進出口(9)、(8),在測桿(7)的中心同軸設(shè)置一引線導(dǎo)管(10),爐芯(2)、(5)的電源線與加熱電源(16)相連接,熱電偶(3)的引出線與顯示與記錄儀表(14)相連,反向串接的熱電偶(3)、(6)的引出線與檢流計相連接。
參照圖4,所說的加熱電源(16)包括一比例變壓器(13),變壓器(13)的副邊與兩爐芯(2)、(5)相連接,變壓器(13)的原邊串接一雙向可控硅(12)以調(diào)節(jié)輸出功率,另外,圖中,(11)是外電源。
參照圖4、5,當反向串接的熱電偶(3)、(6)的輸出值在檢流計(15)上的指示大于零時,調(diào)節(jié)可控硅(12)使加熱功率減小;當檢流計(15)上的指示小于零時,調(diào)節(jié)可控硅(12)使加熱功率增大;當檢流計(15)上的指示等于零時,記錄下顯示儀表(14)上的溫度或電壓數(shù)據(jù),此數(shù)值即為真實氣流溫度值。
本發(fā)明的使用過程如下(1)將發(fā)明的測量儀按圖2、3、4連接起來,并接通測桿(7)上的冷卻工質(zhì)進出口(9)、(8);
(2)開啟外電源及加熱電源,將測桿(7)插入待測氣流位置,調(diào)節(jié)可控硅(12)的導(dǎo)通角,使檢流計(15)的指示為零,記錄下溫度數(shù)值;
(3)關(guān)閉外電源及加熱電源,抽出測桿(7),待測桿(7)冷卻后關(guān)閉冷卻工質(zhì)。
由此可見,由于本發(fā)明的測量儀中比例變壓器(13)的匝數(shù)比保持不變,因而控制了兩熱電偶探頭表面的比加熱功率相同;再通過調(diào)節(jié)可控硅(12)的導(dǎo)通角,就可以使兩探頭表面的溫度指示相同,從而實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。


1-細熱電偶探頭;2-細熱電偶探頭加熱爐芯;
3-細探頭表面熱電偶;4-粗熱電偶探頭;
5-粗熱電偶探頭加熱爐芯;6-粗探頭表面熱電偶;
7-測桿;8-冷卻工質(zhì)出口;
9-冷卻工質(zhì)進口;10-引線導(dǎo)管;
11-外電源;12-雙向可控硅13-比例變壓器;14-顯示與記錄儀表;
15-檢流計;16-加熱電源;
17-測量單元;
(a)細探頭表面熱電偶正極(或負極)引出線;
(b)表面熱電偶負極(或正極)引出線公共端;
(c)細探頭內(nèi)加熱爐芯引出線(高電位);
(d)加熱爐芯公共引出線(低電位);
(e)粗探頭內(nèi)加熱爐芯引出線(高電位);
(f)粗探頭表面熱電偶正極(或負極)引出線。
權(quán)利要求
1.補償式高溫氣流溫度測量方法和測量儀,其測量方法是首先準備兩個定性尺寸不同的熱電偶,將其插入待測氣流位置,其特征在于,對兩個定性尺寸不同的熱電偶探頭進行加熱,并控制熱電偶探頭表面的比加熱功率相同,其次調(diào)節(jié)加熱功率使兩探頭表面的溫度指示相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法和測量儀,實現(xiàn)測量方法的測量儀包括一測量單元,測量單元包括測桿,測桿上開有冷卻工質(zhì)的進出口,其特征在于,測桿的熱湍配置有兩個定性尺寸不同的探頭,在探頭的內(nèi)部分別配置有各自的加熱爐芯,在探頭的外表面上配置有各自的熱電偶,爐芯的電源線與加熱電源相連接,一個熱電偶的引出線與顯示與記錄儀表相連接,兩反向串接的熱電偶的引出線與檢流計相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的測量方法和測量儀,其特征在于,當檢流計上的指示大于零時,調(diào)節(jié)可控硅使加熱功率增大,直到檢流計的指示為零時止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的測量方法和測量儀,其特征在于,當檢流計上的指示小于零時,調(diào)節(jié)可控硅使加熱功率減小,直到檢流計上的指示為零時止。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量方法和測量儀,其特征在于,所說的加熱電源包括一比例變壓器,比例變壓器的原邊串接一調(diào)節(jié)輸出功率的雙向可控硅,比例變壓器的副邊與兩爐芯相連接。
全文摘要
一種高溫氣流溫度測量方法和測量儀,其特征在于,在普通熱電偶測桿熱端部裝有兩個定性尺寸不同的熱電偶探頭,在兩探頭內(nèi)分別裝設(shè)有各自的電加熱爐芯,在兩探頭外表面分別配置有各自的熱電偶節(jié)點,通過保證兩節(jié)點處的比加熱功率相同,溫度相等,就可以測量出高溫氣流的溫度,具有精確度高,可直接測量的特點。
文檔編號G01K7/14GK1076781SQ9210216
公開日1993年9月29日 申請日期1992年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月24日
發(fā)明者朱建寧, 周玉銘, 王妍芃, 張曉鵬 申請人:西安交通大學(xué)

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