階躍溫度及水流速度對工業(yè)鉑熱電阻熱響應(yīng)時間的影響

王崇愿 朱鵬飛 宋平/.上海市計量測試技術(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。鉑熱電阻溫度計在測量變化較快的流體溫度時，一般不能立刻反映被測溫度，需要一定時間后才能達到熱平衡狀態(tài)[1]。文獻[1]中還提到，常用溫度傳感器對階躍溫度的響應(yīng)來描述其動態(tài)響應(yīng)特性，其中主要的指標就是熱響應(yīng)時間。鉑熱電阻溫度計熱響應(yīng)時間是指鉑熱電阻響應(yīng)一個溫度階躍變化，到達規(guī)定的百分比所需的時間，達到階躍量的10%、50%、90%的熱響應(yīng)時間記作τ0.1、τ0.5、τ0.9[2],[3]，通常使用比較多的是τ0.632。鉑熱電阻溫度計熱響應(yīng)時間是一個至關(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)運動黏度對鉑電阻響應(yīng)時間的影響。董斌等[7]在文章中分析了在動態(tài)測溫中溫度計的熱響應(yīng)時間對測量的影響。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)獨立自主研發(fā)的逐步成熟，熱響應(yīng)時間的測試也已成為核級鉑熱電阻全性能鑒定試驗中的重要一項。

選用兩支熱響應(yīng)時間不同的AA級工業(yè)鉑熱電阻溫度計1#、2#作為被測對象，搭建了工業(yè)鉑熱電阻熱響應(yīng)時間測試實驗臺，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1#、2#鉑熱電阻的熱響應(yīng)時間，并對結(jié)果進行了分析。

1 實驗臺組成

鉑熱電阻熱響應(yīng)時間測試實驗臺主要由以下幾部分組成：

1）恒溫水槽：恒溫水槽溫度波動度及均勻度已校，滿足實驗要求；恒溫水槽的設(shè)計直徑滿足“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)計水流旋轉(zhuǎn)速度可達 0.4 ～1.0 m/s。

2）傳感器動態(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，實時顯示輸入電壓的變化，通過圖形分析，計算出鉑熱電阻溫度計熱響應(yīng)時間。

4）微型多普勒流速儀：測試水流流速，使用時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)時間測試實驗臺

2 測試原理

將鉑熱電阻溫度計固定在支架上，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入水位置與多普勒流速儀測量位置一致。示波器啟動信號記錄，機械臂將鉑熱電阻溫度計迅速置入水中，遇水瞬間，觸發(fā)信號啟動，作為響應(yīng)時間的起始計算點。示波器記錄電壓曲線，待鉑熱電阻溫度計測試溫度與恒溫水槽溫度達到平衡，記錄停止。分析曲線，測出鉑熱電阻熱響應(yīng)時間。每種工況測量三次，熱響應(yīng)時間的重復(fù)性在10%以內(nèi)時數(shù)據(jù)有效，否則重新測量。

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

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)時間的數(shù)據(jù)。

表1 1#鉑熱電阻溫度計在不同測試工況下的熱響應(yīng)時間

表2 2#鉑熱電阻溫度計在不同測試工況下的熱響應(yīng)時間

圖3 30 ℃水溫時熱響應(yīng)時間隨水流速度變化圖

圖4 50 ℃水溫時熱響應(yīng)時間隨水流速度變化圖

圖5 70 ℃水溫時熱響應(yīng)時間隨水流速度變化圖

圖3～圖5給出了 30 ℃、50 ℃、70 ℃不同水溫時，1#、2#鉑熱電阻熱響應(yīng)時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，熱響應(yīng)時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，1#鉑熱電阻熱響應(yīng)時間為 6.6 s，水流速度 0.8 m/s時，熱響應(yīng)時間為 5.5 s，比水流速度0.6 m/s時熱響應(yīng)時間降低了16.7%；水流速度1.0 m/s時，熱響應(yīng)時間為5.5 s，比水流速度0.6 m/s時熱響應(yīng)時間降低了22.7%，下降幅度是很明顯的。在水溫50 ℃和70 ℃時，具有相似的規(guī)律性。50 ℃水溫時，1#鉑熱電阻在水流速度1.0 m/s時的熱響應(yīng)時間比水流速度0.6 m/s時的熱響應(yīng)時間降低了20.0%；70 ℃水溫時，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，熱響應(yīng)時間均為2.6 s，熱響應(yīng)時間沒有隨流速的增大而變化。而在50 ℃水溫時，熱響應(yīng)時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時的熱響應(yīng)時間比水流速度0.6 m/s時增加了8.0%。

圖6 0.6 m/s流速時熱響應(yīng)時間隨水溫變化圖

圖7 0.8 m/s流速時熱響應(yīng)時間隨水溫變化圖

圖8 1.0 m/s流速時熱響應(yīng)時間隨水溫變化圖

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

圖9 熱響應(yīng)時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 ℃水溫時熱響應(yīng)時間為 6.6 s，50 ℃水溫時熱響應(yīng)時間為 6.5 s，比30 ℃水溫時降低了1.5%；70 ℃水溫時熱響應(yīng)時間為6.3s，比30℃水溫時降低了4.5%；在水流速度0.8 m/s，70℃水溫時熱響應(yīng)時間比30 ℃水溫時降低了1.8%；在水流速度1.0 m/s，70 ℃水溫時熱響應(yīng)時間比30 ℃水溫時降低了2.0%；

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

可以認為，兩支鉑熱電阻熱響應(yīng)時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，鉑電阻的結(jié)構(gòu)也是需要考量的一個重要因素。

4 結(jié)語

文章分析了階躍溫度和水流速度對工業(yè)鉑熱電阻溫度計熱響應(yīng)時間的影響規(guī)律。對熱響應(yīng)時間較大的1#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)時間下降明顯，1.0 m/s水流速度時熱響應(yīng)時間比0.6 m/s時下降了接近20%。而對熱響應(yīng)時間較小的2#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)時間的變化甚微。說明，水流速度的增大并不一定意味著熱響應(yīng)時間的下降，這與通常的認知：流速增大換熱增強導(dǎo)致熱響應(yīng)時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)時間和熱響應(yīng)時間的變化規(guī)律的。從實驗發(fā)現(xiàn)，溫度階躍對鉑熱電阻熱響應(yīng)時間的影響不大。

文章搭建了熱響應(yīng)時間測試實驗臺，對溫度階躍和水流速度對鉑熱電阻熱響應(yīng)時間的影響規(guī)律進行了初步的探索。在接下來的工作中，會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的熱響應(yīng)時間情況。在后續(xù)的工作中，還可以開展LCSR法測得的熱響應(yīng)時間與置入法測得的熱響應(yīng)時間的比較研究。