階躍溫度及水流速度對工業(yè)鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的影響

王崇愿 朱鵬飛 宋平/.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院；.上海浦江埃納迪斯儀表有限公司

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)。蔣鵬等[4]在文章中分析了Pt100自身封裝結(jié)構(gòu)及性能、測試方法等對熱響應(yīng)時(shí)間的影響。周紹志等[5]在文章中分析了鉑電阻溫度傳感器在封裝過程中影響響應(yīng)時(shí)間的因素。單戰(zhàn)虎[6]在文章中分析了鉑電阻純度、被測介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度對鉑電阻響應(yīng)時(shí)間的影響。董斌等[7]在文章中分析了在動(dòng)態(tài)測溫中溫度計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間對測量的影響。近年來，隨著中國核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及“華龍一號”中國三代核電技術(shù)獨(dú)立自主研發(fā)的逐步成熟，熱響應(yīng)時(shí)間的測試也已成為核級鉑熱電阻全性能鑒定試驗(yàn)中的重要一項(xiàng)。

選用兩支熱響應(yīng)時(shí)間不同的AA級工業(yè)鉑熱電阻溫度計(jì)1#、2#作為被測對象，搭建了工業(yè)鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。測試了在30 ℃、50 ℃、70 ℃水溫及 0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s水流速度時(shí)1#、2#鉑熱電阻的熱響應(yīng)時(shí)間，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)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 ～1.0 m/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1～5 V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。

圖1 鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

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、0.6 m/s流速時(shí)示波器顯示圖形的界面，其余測試點(diǎn)類似。

圖2 1#鉑熱電阻示波器曲線圖

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)。

表1 1#鉑熱電阻溫度計(jì)在不同測試工況下的熱響應(yīng)時(shí)間

表2 2#鉑熱電阻溫度計(jì)在不同測試工況下的熱響應(yīng)時(shí)間

圖3 30 ℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間隨水流速度變化圖

圖4 50 ℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間隨水流速度變化圖

圖5 70 ℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間隨水流速度變化圖

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0.6 m/s時(shí)，1#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間為 6.6 s，水流速度 0.8 m/s時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間為 5.5 s，比水流速度0.6 m/s時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間降低了16.7%；水流速度1.0 m/s時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間為5.5 s，比水流速度0.6 m/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1.0 m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間比水流速度0.6 m/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2.6 s，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1.0 m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間比水流速度0.6 m/s時(shí)增加了8.0%。

圖6 0.6 m/s流速時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間隨水溫變化圖

圖7 0.8 m/s流速時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間隨水溫變化圖

圖8 1.0 m/s流速時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間隨水溫變化圖

圖6-圖9 給出了 0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/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。

圖9 熱響應(yīng)時(shí)間隨水溫和流速變化圖

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0.6 m/s，30 ℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為 6.6 s，50 ℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為 6.5 s，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0.8 m/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1.0 m/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2.6 s附近，在水流速度0.6 m/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1.0 m/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，1.0 m/s水流速度時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比0.6 m/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(tái)，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。