CN101430230A - 高频响双丝热电偶 - Google Patents

Abstract

本发明一种高频响双丝热电偶，可以准确地测量脉动温度的双丝热电偶，采用两段不同材料的平行并列的对焊热电偶丝结构，可以同时输出两路温度电压信号。通过对两路信号的最大关联分析或者两路信号之间差值的最小化分析可以准确地得到两段热电偶丝的测温点的时间常数。再利用时间常数对测温点的能量平衡方程进行直接求解，从而得到被测介质的真实动态温度。

Description

高频响双丝热电偶

技术领域

本发明涉及测温技术领域，是用于湍流火焰脉动温度测量的高频响测温元件，是一种可以对温度测量信号进行动态补偿从而达到准确测量脉动温度的双丝热电偶。

背景技术

热电偶是目前各国在科研和生产过程中进行温度测量时应用最普遍、最广泛的温度测量元件。由于热电偶的热接点具有一定的热容量，热接点从介质中吸收热量后，加热自身提高温度到稳定值需要一定的时间，在时间上总是要滞后于被测介质温度的变化，即测量的指示温度总是滞后于被测介质的实际温度，引起温度偏差，从而产生动态误差。时间常数是反映热电偶传热特性的一个重要参数，动态误差的大小与时间常数有关。

在实际应用中常采用减小热电偶时间常数的方法来减少热电偶的动态误差，主要采用尺寸较小、传热较快的热电极作为热电偶的热接点，以减小时间常数。但在多数情况下，尤其在湍流火焰温度场测温过程中，过小直径的热电偶没有足够的机械强度和足够的使用寿命。在湍流火焰中，温度脉动的频率最高可达10³～10⁴Hz，所以大多数的热电偶(最高响应频率20～100Hz)无法满足动态温度测量的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够准确测量湍流火焰温度场的热电偶。其创新点在于采用双偶丝结构，能准确地计算得到热电偶在各个测点位置处的时间常数，并通过利用时间常数的校正方法对动态误差进行补偿，从而能准确地测量火焰场的动态温度。

为实现上述目的，本发明提供的双丝热电偶，采用两段热电偶丝并列的结构，并配备数据采集和后处理系统，以S型热电偶丝(铂一铂铑10)为例，其中每段热电偶丝的结构如下：

较粗的铂和铂铑10的偶丝分别弯成叉子状，一端穿过陶瓷管与导线相连，一端作为细偶丝的支撑杆；较细的铂和铂铑10的偶丝进行对焊后，两端分别与粗丝焊接，即相同材料端相互焊接，粗偶丝对细偶丝起支撑固定作用；

两段热电偶丝的较细的偶丝部分保持在同一水平面上，并且两者之间的距离尽量小。

采用B型偶丝的热电偶结构和上述的S型热电偶结构相同。

热电偶的数据采集和后处理系统包括高频响放大器、放大器电源、A/D数据采集板、数据采集和频率补偿软件。双丝热电偶输入的两路毫伏电压信号经高频响放大器放大一定的倍数，再经过低通滤波后由A/D数据采集板和采集程序采集储存，采集的数据先转换成温度信号再由频率补偿软件进行动态误差补偿后得到动态温度数据。

所述的双丝热电偶，其中偶丝为S型，即为铂一铂铑10，为B型，即为铂铑30—铂铑6。

所述的双丝热电偶，其中整体结构为直型或弯型。

概括地说，本发明提供的双丝热电偶，包括两段叉形的偶丝，其中细偶丝部分保持在同一个水平面上，并且距离很近。在测温过程中，双丝热电偶可以同时输出两路电压信号。由于两丝相距很近，两路电压信号可以近似代表被测介质同一位置处的温度变化。通过对两路信号的最大关联分析或者两路信号之间差值的最小化分析分别计算得到热接点的时间常数，再利用时间常数的校正方法进行动态误差补偿得到被测介质的动态温度。为了满足不同位置的测量需要，双丝热电偶分为直型和弯型两种结构。

附图说明

图1是本发明高频响双丝热电偶的总体结构示意图(直型)：其中：图1a是热电偶的俯视图；图1b是热电偶的右视图；图1c是热电偶的正视图；

图2是本发明高频响双丝热电偶的总体结构示意图(弯型)；图2a是热电偶的俯视图；图2b是热电偶的右视图；图2c是热电偶的正视图；

图3是本发明高频响双丝热电偶的模型示意图。

具体实施方式

为了能够准确地测量湍流火焰的动态温度，本发明提供一种双丝热电偶，通过利用时间常数的校正方法来对动态误差进行补偿，从而可以准确地测量火焰流场的平均温度和脉动温度。

图1和图2分别是本发明高频响双丝热电偶的两种结构形式(直型和弯型)的总体结构示意图。参照图1可知，本发明主要包括两段平行的偶丝，其中每段偶丝由细偶丝2和粗偶丝3组成。不同材料的细偶丝2进行对焊后，形成热接点1，对焊后的细偶丝2两端分别和同材料的粗偶丝3焊接。粗偶丝3做成叉子形状，其末端穿过陶瓷管4与导线连接。陶瓷管4对粗偶丝3起固定和保护作用。两段偶丝的细偶丝2部分保持在同一水平面上，两段偶丝的热接点1处在十分接近的位置上。在测量过程中，使偶丝所在的平面平行于来流，以减小热电偶对流场的干扰。对于不同的测量场合，可选择应用直型或弯型的双丝热电偶。

测量时，双丝热电偶同时输出两路毫伏电压信号，分别为两段偶丝的热接点采集的温度电压信号，毫伏电压信号经过高频响放大器放大和低通滤波器滤波后由采集程序采集储存，储存后的数据再由温度补偿程序转换成温度值并进行时间常数的计算，最后利用时间常数的校正方法进行动态误差补偿从而得到测点准确的动态温度值。

图3是本发明高频响双丝热电偶的模型示意图。参照图3，热接点的温度值与其周围被测介质的真实温度值存在以下的关系式：

$T_{g1}=T_1+{\mathrm{\τ}}_1\frac{{\∂T}_1}{\∂t}$

$T_{g2}=T_2+{\mathrm{\τ}}_2\frac{{\∂T}_2}{\∂t}$

式中T_g为热接点周围被测介质的温度；T为热电偶输出的电压信号转换的温度；τ是热接点的时间常数；下标1，2分别表示两段热电偶丝的参数。

由于两段偶丝的热接点相邻很近，同步测得的温度可以认为是同一位置处的温度值，所以通过对两路信号的最大关联分析 $\max (R=\frac{\stackrel{\‾}{T_{g1}^{\′}{T}_{g2}^{\′}}}{\sqrt{{T_{g1}^{\′}}^2}\sqrt{{T_{g2}^{\′}}^2}})$ 或者两路信号之间差值的最小化分析 $\min (e=\stackrel{\‾}{{(T_{g2}-T_{g1})}^2})$ 可以分别准确地得到两段热电偶丝的热接点的时间常数τ₁和τ₂。

再利用时间常数对热接点的能量平衡方程进行直接求解，从而得到被测介质的真实动态温度。

Claims (6)

1.一种高频响双丝热电偶，主要包括两段不同材料平行并列的热电偶丝，其特征是：两根不同材料的细偶丝进行对焊后，分别与相同材料的粗偶丝进行焊接；粗偶丝做成叉子状，其末端穿过陶瓷管与放大器连接；陶瓷管对粗偶丝起固定和保护作用；测量结果通过利用时间常数的校正方法对动态误差进行补偿。

2.如权利要求1所述的双丝热电偶，其特征是：其中，所述偶丝，分为S型或B型偶丝，S型偶丝为铂—铂铑10，B型偶丝为铂铑30—铂铑6。

3.如权利要求1所述的双丝热电偶，其特征是：所述时间常数，是通过求解两个平行偶丝的能量平衡方程，实施得出测量点的时间常数。

4.如权利要求3所述的双丝热电偶，其特征是：利用得出的时间常数，以修正动态误差，从而测出动态温度。

5.如权利要求1所述的双丝热电偶，其特征是：热电偶的响应频率≤10000Hz。

6.如权利要求1所述的双丝热电偶，其特征是：还用与修正辐射误差。

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