CN102507035B

CN102507035B - 微小空间内温度精确测量装置及探头和测温方法

Info

Publication number: CN102507035B
Application number: CN 201110364336
Authority: CN
Inventors: 刘志刚; 张承武
Original assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Shandong Shanke Zhihai New Energy Technology Co., Ltd
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: CN102507035A

Abstract

一种微小空间内温度精确测量装置及探头和测温方法，它包括探头和与之相连的高精度电阻测量与处理系统和高精度加热系统，其特征是探头包括中空的套管，其特征是在套管两端封闭且设置有金属电极，还设置有连接两端金属电极的细金属丝，所述套管为内径0.1mm-5mm；长度1mm-10mm的细管；在套管侧壁上开设通孔作为工质进孔。本方案通过设置探头初始温度，使用迭代电阻测温法能够有效测量微纳流体机械以及微换热系统中工质的温度测量，解决微/纳空间工质温度精确测量的瓶颈问题。

Description

微小空间内温度精确测量装置及探头和测温方法

技术领域

本发明涉及一种新型温度测量方法，尤其涉及一种利用温度变化对阻值的影响进而通过迭代的方式调整电阻丝的温度逐渐与被测样品一致。该方法是一种利用迭代电阻的测温方法。

背景技术

随着科技的进步，小型化、微型化正逐渐成为各项领域设备的发展趋势。然而，设备微型化一方面提高了空间利用率及设备各效率的同时，设备中尺度的减小也大大增加了相关物理量的测量难度。温度作为国际单位制中七个基本物理量之一，在微流动、微传热系统中是至关重要的物性参数，如何对微米级、亚微米级甚至纳米级空间中的工质温度进行准确且有效测量是目前微／纳流动及传热系统研究中亟待解决的测量难点问题。

目前的温度测量方法主要分为接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触，一般测量的是被测对象和传感器的平衡温度，如液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属此类。接触式测温简单、可靠、测量精度高，但由于达到热平衡需要一定时间，因而会产生测温的滞后现象；另外感温元件往往会破坏被测对象的温度场，并有可能受到被测介质的腐蚀，从而导致明显的测量误差。非接触式测温方法则不需要与被测对象接触，因而不会干扰温度场，但同时也存在着精度不如接触式测温仪表、结构复杂且测试成本高等缺点。

在微/纳系统通道内，尤其通道尺寸降至亚微米甚至纳米量级时，常规的接触式测温方法不但难以保证与被测表面的良好接触，而且会严重影响破坏被测表面的温度分布；同时由于此时极微量的工质与测点接触后，其测点的热容将改变极微量工质的温度，因此常规接触式测温方法难以对微/纳系统内部工质温度进行有效测量。而非接触式温度测量方法则测量精度较差，且对光路布置要求非常高，尤其当尺度降低至微米级以下时，该问题变得更加突出，目前还未有非接触式温度测量方法能对微米级以下级空间进行有效测量。因此，必须开发出一种新的温度测量方法，能够准确反映微/纳米尺度通道内工质温度值，对于微/纳系统的发展具有极为重要的现实意义。

发明内容

本项目正是针对这一需求，提出“迭代电阻测温法”这一新的温度测量方法，可较为方便地应用于微纳流体机械以及微换热系统中，实现对微/纳米通道内工质温度的精确且有效测量，解决微/纳空间工质温度精确测量的瓶颈问题，从而推动工业换热设备的微/纳型化发展。本发明针对现有技术中的不足提出了一种能够有效测量微纳流体机械以及微换热系统中工质的温度测量，解决微/纳空间工质温度精确测量的瓶颈问题。

一种新型测温方法，其特征是它包括如下步骤：

1依据铂丝电阻阻值与温度变化的对应关系，按照预测的工质出口温度设立铂丝初始温度；该方法采取调整铂丝两端电压的技术手段精确控制铂丝的温度，即先预测工质出口温度，加载电流使铂丝温度与预测值相等。

2使用微小空间内温度精确测量装置测温，它包括探头和与之相连的高精度电阻测量与处理系统和高精度加热系统。探头包括中空的套管，套管两端封闭且设置有金属电极，还设置有连接两端金属电极的细金属丝，所述套管为内径0.1mm-5mm；长度1mm-10mm的细管；在套管的侧壁上开设工质进孔。被测工质通过开在侧壁上的工质进孔进入管内直接与铂丝接触；

3调整铂丝端电压对铂丝的阻值进行迭代直至铂丝阻值不再变化，这时铂丝的温度即为被测工质的温度。当被测工质的温度与铂丝温度不一致时，铂丝的阻值会发生变化，此时根据铂丝阻值随温度的变化关系——铂丝阻值随温度的升高而升高，进一步调整铂丝两端电压，当铂丝阻值增大时说明工质温度高于铂丝温度，此时加大铂丝端电压，提高铂丝温度，如果铂丝阻值减小则相应的减小铂丝端电压，降低铂丝温度，如此往复循环，直至铂丝阻值不再发生变化，这一循环过程中铂丝阻值的调整量是一个逐渐减小和递进的过程，是对铂丝阻值的一个迭代过程，通过对铂丝电阻的判断以及不断的迭代实现铂丝的阻值不再发生变化，而此时铂丝的温度就是被测工质的温度。

一种微小空间内液体工质的温度精确测量探头，它包括中空的套管，其特征是在套管两端封闭且设置有金属电极，还设置有连接两端金属电极的细金属丝，所述套管为内径0.1mm-5mm；长度1mm-10mm的细管；套管侧壁开设通孔。

本发明的具体特点还有，所述套管长度为2mm，内径为0.5mm。所述套管为石英管、金属管或者陶瓷管；所述金属电极为银电极，所述细金属丝为具有良好延展性和电阻温度效应直径0.5微米-100微米的细金属丝。所述细金属丝为铂丝或者金丝，其直径为1微米。所述铂丝通过银焊与两端电极相连并置于所述石英管内。所述石英管内置支撑杆以支撑两个银电极。本方案中所述探头中材质及尺寸还可根据实际需要调整。

一种微小空间内液体工质的温度精确测量装置，它包括探头和与之相连的高精度电阻测量与处理系统和高精度加热系统，其特征是探头包括中空的套管，其特征是在套管两端封闭且设置有金属电极，还设置有连接两端金属电极的细金属丝，所述套管为内径0.1mm-5mm；长度1mm-10mm的细管；在套管的侧壁上开设通孔作为工质进孔。

本方案的具体特点还有，所述高精度电阻测量与处理系统包括上海源佳通直阻仪ZGY-10A，处理系统采用PID对电阻值运算及迭代并反馈进行控制调节铂丝两端端电压、高精度加热系统为安捷伦66104A精密直流稳压电源，其可以实现对铂丝电阻的高精度监测并对其阻值处理以得到相应的电阻温度偏移，该值与初始设定温度值相加即为铂丝温度。所述高精度加热系统通过调整铂丝两端端电压以实现对铂丝温度的控制。

本发明的有益效果主要有两点。首先，本方案中测温元件为直径仅为1微米的铂丝，其热容远远小于传统的测温元件探头的热容，因此采用本方案能够有效避传统测温元件由于测量端本身与被测工质的直接接触所带来的热容误差（热容误差即金属测温探头本身会吸收所测工质的热量进而对工质温度产生影响）对被测工质温度的影响，这一影响在微纳空间内所造成的影响是无法忽略的；其次，本方案是采用不断调整铂丝两端端电压，对铂丝进行加热来逐步逼近所测工质温度真实值的过程，其整个过程处于加热状态且逐渐加热到与所测工质温度相一致，因此，铂丝与所测工质之间的温差是一个逐渐减小的过程，两者之间的温度一致不会进行热交换，这又更进一步消除了铂丝对工质温度的影响。综上所述，在微纳空间内本方法与传统测温方法相比更接近被测工质温度的真实值。

附图说明

图1 迭代电阻温度测试探头原理图；图2 迭代电阻法温度测试系统；图中：1-石英管；2-铂丝；3-通孔；4-银焊点；5-密封圈；6-银棒；7-高精度电阻测量仪表及处理系统；8-高精度直流电源；9-温度测量探头；10-被测工质管路；11-被测工质；12-被测管路与测量探头连接管。

具体实施方式

如图1所示，本方案是通过以下技术原理来实现微纳尺度空间工质温度的精确测量的。在本方案中，被测工质管路与测量探头紧密连接，管路内的工质通过测量探头石英管上的小孔进入测量探头。该方法基于电阻的温度效应原理，但是又区别于传统的热电阻。具体措施如下，方案实施时大气温度T₀为15.1℃，所测管路进口出口温度已知，进口温度为T₁为23℃，出口温度为T₂为24.3℃，采用迭代电阻测温法测量管路中部温度，预测工质11的温度T_x为23℃（此为管路进口温度），调整铂丝两端端电压，使铂丝温度与预测值相等同为23℃。监测铂丝瞬间阻值变化，铂丝阻值变大说明所测工质温度高于设定值，此时调整预测温度为24.3℃（此为工质出口温度），同时相应的加大铂丝端电压以使铂丝温度达到24.3℃，此时铂丝阻值变小说明所测温度低于设定值，同时也说明该测试方法能够保证设定值落在有效测试区域，即进口出口即为设定值的上下边界。第二步，设定温度调整量⊿T重复上述调整过程，但是每次循环后⊿T减小，依次为0.5℃、0.3℃、0.2℃、0.1℃、0.05℃。注意，如果所选定⊿T无法满足要求，要重新寻找上下边界，选定更低的⊿T。如此往复循环，采用不断调整温度的办法，实现铂丝阻值的迭代，最终使测量值的上下边界落在极小的范围内。最终阻值不在发生变化（此处可为一个范围，落在该范围内即认定为不再发生变化），此时设定值为23.8℃。而采用传统方法，利用Pt100热电阻（A级，测量头直径0.3mm）所测同一位置的温度为23.1℃。

一种微小空间内温度精确测量探头，探头包括两端带有金属电极且密封的石英管、细金属丝，其特征是所述石英管为细石英管，其外形尺寸可根据所测空间尺度的不同而选择，图1中石英管长度为2mm，内径为0.5mm。图中所述电极为银，所述细金属丝为具有良好延展性和电阻温度效应的金属，图1中为铂丝，其直径为1微米。所述铂丝通过银焊与两端电极相连并置于所述石英管内。石英管1一侧开设通孔3作为工质进孔。如图2所示，它是一种微小空间内液体工质的温度精确测量装置，它包括探头和与之相连的高精度电阻测量与处理系统和高精度加热系统，所述高精度电阻测量与处理系统包括上海源佳通直阻仪ZGY-10A，处理系统采用PID对电阻值运算及迭代并反馈进行控制调节铂丝两端端电压、高精度加热系统为安捷伦66104A精密直流稳压电源，其可以实现对铂丝电阻的高精度监测并对其阻值处理以得到相应的电阻温度偏移，该值与初始设定温度值相加即为铂丝温度。所述高精度加热系统通过调整铂丝两端端电压以实现对铂丝温度的控制。

采用本测试系统和传统的Pt100热电阻（A级，探头直径0.3毫米）对内径为500微米，长度为5毫米的管道内的水的温度进行测量，该管道底部被加热，所测管道进口温度为23℃，出口温度为24.3℃。采用本测试系统测得管道中部温度为23.8℃，采用Pt100热电阻测得温度为23.1℃。采用两种检测方式对开放空间中空气温度进行检测，所测值均为15.1℃。综上所述，本方案能够有效的测量微纳空间内的工质温度，而且该方法可以有效避免传统测温探头由于与所测工质接触而带来的热容误差。

Claims

1.一种新型测温方法，其特征是它包括如下步骤：（1）依据铂丝电阻阻值与温度变化的对应关系，按照预测的工质出口温度设立铂丝初始温度；该方法采取调整铂丝两端电压的技术手段精确控制铂丝的温度，即先预测工质出口温度，加载电流使铂丝温度与预测值相等；（2）使用微小空间内温度精确测量装置测温，它包括探头和与之相连的高精度电阻测量与处理系统和高精度加热系统；探头包括中空的套管，在套管两端封闭且设置有金属电极，还设置有连接两端金属电极的铂丝，所述套管为内径0.1mm-5mm；长度1mm-10mm的细管；在套管的侧壁上开设工质进孔，被测工质通过开在侧壁上的工质进孔进入管内直接与铂丝接触；（3）调整铂丝端电压对铂丝的阻值进行迭代直至铂丝阻值不再变化，这时铂丝的温度即为被测工质的温度；当被测工质的温度与铂丝温度不一致时，铂丝的阻值会发生变化，即铂丝阻值随温度的升高而升高，进一步调整铂丝两端电压，当铂丝阻值增大时说明工质温度高于铂丝温度，此时加大铂丝端电压，提高铂丝温度，如果铂丝阻值减小则相应的减小铂丝端电压，降低铂丝温度，如此往复循环，直至铂丝阻值不再发生变化，这一循环过程中铂丝阻值的调整量是一个逐渐减小和递进的过程，是对铂丝阻值的一个迭代过程，通过对铂丝电阻的判断以及不断的迭代实现铂丝的阻值不再发生变化，而此时铂丝的温度就是被测工质的温度。

2.一种微小空间内流体工质的温度精确测量探头，它包括中空的套管，其特征是在套管两端封闭且设置有金属电极，还设置有连接两端金属电极的细金属丝，所述套管为内径0.1mm-5mm；长度1mm-10mm的细管；套管侧壁开设通孔。

3.3根据权利要求2所述的微小空间内液体工质的温度精确测量探头，其特征是所述套管长度为2mm，内径为0.5mm。

4.根据权利要求2所述的微小空间内液体工质的温度精确测量探头，其特征是所述套管为石英管、金属管或者陶瓷管；所述电极为具有良好导电效果的金属电极。

5.根据权利要求2所述的微小空间内液体工质的温度精确测量探头，其特征是所述细金属丝为具有良好延展性和电阻温度效应直径0.5微米-100微米的细金属丝。

6.根据权利要求5所述的微小空间内液体工质的温度精确测量探头，其特征是所述细金属丝为铂丝或者金丝，其直径为1微米。

7.一种微小空间内液体工质的温度精确测量装置，它包括探头和与之相连的高精度电阻测量与处理系统和高精度加热系统，其特征是探头包括中空的套管，其特征是在套管两端封闭且设置有金属电极，还设置有连接两端金属电极的细金属丝，所述套管为内径0.1mm-5mm；长度1mm-10mm的细管；在套管的侧壁上开设通孔作为工质进孔。

8.根据权利要求7所述的微小空间内液体工质的温度精确测量装置，其特征是所述高精度电阻测量与处理系统包括上海源佳通直阻仪ZGY-10A，处理系统采用PID对电阻值运算及迭代并反馈进行控制调节铂丝两端端电压。

9.根据权利要求7所述的微小空间内液体工质的温度精确测量装置，其特征是高精度加热系统为安捷伦66104A精密直流稳压电源。