淺析階躍溫度及水流速度對(duì)金屬管浮子流量計(jì)的影響

    摘　要 在搭建的金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，選用熱響應(yīng)時(shí)間不同的金屬管浮子流量計(jì)溫 度計(jì)作為被測(cè)對(duì)象，測(cè)試了在不同水溫及不同水流速度時(shí)金屬管浮子流量計(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(duì)金屬管浮子流量計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間確有影響，其中階躍溫度對(duì)鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí) 間的影響很小，流速對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間較大的鉑熱電阻有明顯影響，對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間較小的鉑熱電阻的影 響很小。

 

    引言

    金屬管浮子流量計(jì)作為接觸式測(cè)溫的傳感器在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。金屬管浮子流量計(jì)在測(cè)量變化較快的流體溫度時(shí)，一般不能立刻反映被測(cè)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(duì)階躍溫度的響應(yīng)來(lái)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。金屬管浮子流量計(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。金屬管浮子流量計(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(cè)試方法等對(duì)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(cè)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)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(cè)溫中溫度計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間對(duì)測(cè)量的影響。近年來(lái)，隨著中國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及“華龍一號(hào)”中國(guó)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(cè)試也已成為核級(jí)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(jí)金屬管浮子流量計(jì)溫度計(jì) 1#、2# 作為被測(cè)對(duì)象，搭建了金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖 1 所示。測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)傳感器的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為 1~5 V 電壓信號(hào)，輸出到示波器中。

 

    3）示波器：接收電信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示輸入電壓的變化，通過圖形分析，計(jì)算出金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間。

 

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

 

 

    2　測(cè)試原理

    將金屬管浮子流量計(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(cè)量水流旋轉(zhuǎn)速度后，被檢金屬管浮子流量計(jì)入水位置與多普勒流速儀測(cè)量位置一致。示波器啟動(dòng)信號(hào)記錄，機(jī)械臂將金屬管浮子流量計(jì)迅速置入水中，遇水瞬間，觸發(fā)信號(hào)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，待金屬管浮子流量計(jì)測(cè)試溫度與恒溫水槽溫度達(dá)到平衡，記錄停止。分析曲線，測(cè)出鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間。每種工況測(cè)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(cè)量。

 

    圖 2 給出了 1# 金屬管浮子流量計(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(cè)試點(diǎn)類似。

 

 

 

    3　測(cè)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(duì) 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(duì) 2# 鉑熱電阻而言，水流速度對(duì)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- 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。

 

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    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(duì) 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(duì) 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(yǔ)

    文章分析了階躍溫度和水流速度對(duì)金屬管浮子流量計(jì)溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律。對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)溫度階躍和水流速度對(duì)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(lái)的工作中，會(huì)逐步增加測(cè)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(cè)得的熱響應(yīng)時(shí)間與置入法測(cè)得的熱響應(yīng)時(shí)間的比較研究。