CN103674310A - 一种基于油管表面温度测量的油温测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，包括：采用油温测量装置测量油管外壁温度以获知油管外壁实际温度；将液压油管的热传递分成油管外壁、油管壁身、油管内壁三个部分进行分析建模；得到油液温度的测量模型为：用计算机CPU模块将接收到的数据信息，通过最终测量模型计算出当前油液温度，实现液压油管内油温的非接触式测量。同现有技术相比：不需要对液压油管进行拆解，只需测量油管表面的温度和环境温度，通过油液温度测量模型测算出当前时刻的油液温度，实现了油温的非介入式测量，提高了测量的安全性和便捷性；测量精度高、测量范围大，且响应时间较短，能经受大的机械振动和机械与液压冲击，且有较好的抗干扰能力。

Description

一种基于油管表面温度测量的油温测量方法

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，涉及表面温度的测量方法，尤其涉及一种基于油管表面温度测量的油温测量方法。

背景技术

在起重设备、转载运输设备、工程机械等大型装备中，液压系统是传动与控制的核心机构，油液温度是液压系统的重要参数。油液温度通常会随着液压系统连续工作时间的增加而升高，当油液温度过高时，会导致油液黏度降低、泄漏增加、液压元件磨损加剧、密封装置老化变质等问题，因此往往需要将油液温度控制在一定范围内。热电偶、铂电阻等温度传感器能够对温度进行较高精度的测量，已在多个领域得到广泛使用。传统的温度测量方法属于直接接触式或浸入式测量，需要将传感器与被测对象直接充分接触。液压系统通常是封闭系统，采用传统的浸入式温度测量方法需要对液压回路进行拆解，将传感器埋入到液压管路中，这种方法安装使用很不方便，且拆卸后重装容易造成密封不良，带来新的安全隐患。基于油管表面温度测量的油温测量方法采用非介入式检测方案，通过对油管表面温度和环境温度的测量，间接测算出油管内部的油液温度，有效解决了封闭管路内部油温测量的问题，使它在工程液压机械方面应用前景广阔。油温检测装置一般由温敏元件和数据处理电路两个部分组成。温敏元件用于采集油液温度信息，数据处理电路则对温敏元件所采集的温度信息进行模数装换、分析、储存、显示。

在本发明以前的油管油温检测方法和装置现有技术中，有如下几篇对比专利和文献：

1)、“简易输油管道测温装置”，专利号200920140134.8。该实用新型通过一种输油管道测温装置，使其在管道中随传输流体的流动而移动，通过里程轮测距并通过温度传感器检测沿线的温度，实现对管道各点温度的实时检测并获得测量结果。该装置需要预先在油管内装入测试装置，设备结构复杂，体积庞大，只适用于大直径长距离输油管道的管内油温检测，无法应用于液压油管内油液温度测量。

2)、“输油管线油温、密度测定器”，专利号97210368.6。该实用新型提供一种输油管线油温、密度测定器，包括特制输油管，连接在特制输油管内的喇叭管。该装置可测油品的温度和密度。但该实用新型必须使用特制油管，且需对被测对象进行拆解安装，不适用于管路不允许拆解的液压系统油温测量。

3)、“输油管道油温记录装置”，专利号200920268648.1。该装置主要包括温度检测装置、数据处理装置、计时器、管内行走装置和其他辅助装置，通过温度检测装置与行走装置测量记录沿途管路轴向和径向油温。该装置同样需要预先在油管内装入测试装置，设备复杂，无法适用于管径相对较小的液压油管温度测量。

4)、沈阳工业大学机械工程学院宋俊、于玲发表在2003年第5期《液压气动与密封》上的《液压系统介质温度变化计算与分析》，该文章从功率损失的角度推导了油箱中温度随时间变化的公式和油管、阀口和液压泵中温升公式。但文章只是从理论上分析了液压油温度随工作时间的变化模型，并没有提出油温检测的方法，也未研究油温通过管壁时的传播模型。

5)、熊洪开、孙文平在1984年第3期《航空测试技术》发表的《液压系统高响应温度传感器》，该文章提出了一种对液压系统局部管路油温测量的新型传感器。但该传感器的使用必须使用专用三通管接头，通过将油管拆开后连接液压油管，只能测量液压油管的特定点的油温，且必须对油管进行预加工处理；此外，该传感器体积过大，安装困难，无法使用在油管集中区域。

6)、北京航空航天大学的谢三保、焦宗夏等发表在2005年第5期《机床与液压》上的《飞机液压系统温度仿真计算与分析》，该文章利用动态油温计算法，建立各种液压元件的温度模型。但文献只是将整个液压系统视为一个整体，分析各种热负载和散热源，依此对各附件进出口温度进行仿真，且仿真模型中进行了大量的假设，缺乏对液压系统和环境的实际测量数据，也没有进行验证。空军工程大学的段天蛟、曹克强等发表在2009年第7期《机床与液压》上的《基于AMESim的某型飞机液压系统仿真》，该文章根据《飞机液压系统温度仿真计算与分析》文献提供的模型，对液压系统温度模型进行仿真，同样没有实际测试和实验验证。

7)、西安公路交通大学的张志友、姚怀新发表在1999年第80期《建筑机械与施工机械化》上的《闭式液压系统内部油温的测算》，该文章仅仅根据影响闭式液压系统内部油温的因素，从理论上探讨了闭式液压系统内部油温的计算方法，但未对油温模型和测量方法进行研究。

综上所述，现有文献中有的装置只是适用于长输输油管道，无法适用于液压油管内的油温测量；有的仅仅从理论上探讨了油温的影响因素，未对测量方法进行研究，也没有得到实验验证；有的提出的传感器只适用于特殊制造的油管，有的需要将液压系统进行拆解后再将传感器接入，安装困难，且存在安全隐患。所有文献均没有很好实现液压油管的油温测量问题。

目前为止，经过对文献的检索，尚没有发现一种针对油管内油液通过油管进行径向热传递的机理分析和油温测算模型，也未发现一种安装方便、能够测量管径相对较小的液压油管温度的方法和装置。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于：提供一种可克服上述现有技术中诸多存在问题的基于油管表面温度测量的油温测算模型、方法及装置。

现将本发明构思及技术方案叙述如下：

本发明提出一种基于油管表面温度测量的油温测算模型及方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采用油温测量装置测量油管外壁温度以获知油管外壁实际温度；

步骤1.1：所述的油温测量装置，包括油管外壁温度测量模块、环境温度测量模块、面板显示、计算机CPU模块和电池模块；用油管外壁温度测量模块负责测量油管外壁温度，并将油管外壁温度数据传输至计算机CPU模块；

步骤1.2：用环境温度测量模块负责测量环境温度，并将环境温度数据传输至计算机CPU模块；

步骤2：在测量获知油管外壁温度的基础上，将液压油管的热传递分成三个部分进行分析建模，即油管外壁、油管壁身、油管内壁；

步骤2.1：建立油管外壁热传递模型：

油管外壁热传递包括油管自身的热传导、油管外壁与环境之间的自然对流换热、油管与环境之间的辐射换热，由于油管外壁不具备蓄热能力，因此油管外壁热传导的热流密度等于油管与环境之间自然对流和辐射换热的热流密度之和，即：

q_w＝q_dw+q_f

其中，q_w为油管外壁热传导的热流密度，q_dw为油管与环境之间自然对流的热流密度，q_f为油管与环境之间辐射换热的热流密度；

步骤2.1.1：油管外壁热传导的热流密度q_w由下式确定：

$q_w=\frac{2{\mathrm{\λ}}_1(T_{\mathrm{nb}}-T_{\mathrm{wb}})\ln \left(\frac{d_w}{d_n}\right)}{d_w}$

其中，λ₁为油管的导热系数，T_nb为油管内壁的热力学温度，T_wb为油管外壁的热力学温度，d_w为油管外径，d_n为油管内径，λ₁近似为常数，d_w和d_n为已知量；

步骤2.1.2：油管与环境之间自然对流的热流密度q_dw由下式确定：

q_dw＝h₁(T_wb-T₀)

其中，h₁为油管外壁与环境的换热系数，T₀为环境的热力学温度，h₁近似为常数；

步骤2.1.3：油管与环境之间辐射换热的热流密度q_f由下式确定：

$q_f=\mathrm{\ϵ\σ}(T_{\mathrm{wb}}^4-T_0^4)$

其中，ε为油管表面的发射率，σ为斯忒潘-玻尔兹曼常数，ε和σ均为常数；

步骤2.2：建立油管壁身热传递模型：

油管壁身热传递包括油管自身的热传导，且属于稳态导热过程，油管外壁热流密度与油管内壁热流密度之比等于油管内径与外径之比，即：

$\frac{q_w}{q_n}=\frac{d_n}{d_w}$

步骤2.3：建立油管内壁热传递模型：

油管内壁热传递包括油管自身的热传导、油管内壁与油液之间的强迫对流换热、油管与油液之间的辐射换热，由于油管与油液之间的辐射换热通常远小于前两种热传递强度，因此可以忽略；

步骤2.3.1：由于油管内壁不具有蓄热能力，因此油管内壁热流密度等于油管内壁与油液强迫对流换热的热流密度，即：

q_n＝q_dn

其中，q_n为油管内壁热流密度，q_dn为油管内壁与油液强迫对流换热的热流密度；

步骤2.3.2：管内壁热流密度q_n由下式确定：

$q_n=\frac{2{\mathrm{\λ}}_1(T_{\mathrm{nb}}-T_{\mathrm{wb}})\ln \left(\frac{d_w}{d_n}\right)}{d_n}$

步骤2.3.3：油管内壁与油液强迫对流换热的热流密度q_dn由下式确定：

q_dn＝h₂(T-T_nb)

其中，h₂为油液与油管之间的强迫对流换热系数，T为油温；

步骤3：基于上述三个部分的热传递模型，最终可得到油液温度的测量模型为：

$T=T_{\mathrm{wb}}+\frac{[h_1+\mathrm{\σ\ϵ}(T_{\mathrm{wb}}^4-T_0^4)]\mathrm{dw}}{2{\mathrm{\λ}}_1\ln \left(\frac{d_w}{d_n}\right)}+\frac{[h_1+\mathrm{\σ\ϵ}(T_{\mathrm{wb}}^4-T_0^4)]\mathrm{dw}}{\mathrm{Nu}{\mathrm{\λ}}_2}$

步骤4：用计算机CPU模块接收到的油管外壁温度数据和环境温度数据信息，通过所建立的油液温度的最终测量模型，计算出当前油液温度，并通过面板进行显示，实现液压油管内油温的非接触式测量。

本发明同现有技术相比的优越性在于：

(1)本发明不需要对液压油管进行拆解，只需要测量油管表面的温度和环境温度，利用已知的油管内径、外径、材质信息，通过建立的油液温度测算模型，即可测算出当前时刻的油液温度，实现了油温的非介入式测量，提高了测量的安全性和便捷性。

(2)操作过程简单，测量一步到位，温度传感器使用廉价铂电阻，即可获得精度较高的温度信息，且传感器无需浸入至油液之中，避免了对液压系统的干扰。数据通过测量装置的面板直接显示，实现了装置的小型化。

(3)具有较大的温度测量精度与测量范围，且响应时间较短，能经受大的机械振动和机械与液压冲击，有较好的抗干扰能力。

附图说明

图1：本发明测量方法示意图

图2：油管径向热传递示意图

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

参见图1：为本发明提出的测量方法。油管外壁温度测量模块通过捆绑的方式安装紧固在液压油管外壁表面；环境温度测量模块则暴露在空气之中；CPU模块固定在油管表面，并根据油管外壁温度数据和环境温度数据，通过建立的油液温度测算模型，计算出当前油液温度，并通过面板进行显示。电池采用锂电池供电。

Claims (6)

1.一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，其特征在于：包括以下步骤： 

步骤1：采用油温测量装置测量油管外壁温度以获知油管外壁实际温度； 

步骤2：在通过测量获知油管外壁温度的基础上，将液压油管的热传递分成油管外壁、油管壁身、油管内壁三个部分进行分析建模； 

步骤3：基于上述三个部分的热传递模型，最终可得到油液温度的测量模型为： 

步骤4：用计算机CPU模块接收到的油管外壁温度数据和环境温度数据信息，通过所建立的油液温度的最终测量模型，计算出当前油液温度，并通过面板进行显示，实现液压油管内油温的非接触式测量。 

2.根据权利要求1所述的一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，其特征在于：步骤1中所述的“采用油温测量装置测量油管外壁温度以获知油管外壁实际温度”的具体步骤为： 

步骤1.1：所述的油温测量装置，包括油管外壁温度测量模块、环境温度测量模块、面板显示、计算机CPU模块和电池模块；用油管外壁温度测量模块负责测量油管外壁温度，并将油管外壁温度数据传输至CPU模块； 

步骤1.2：用环境温度测量模块负责测量环境温度，并将环境温度数据传输至计算机CPU模块。 

3.根据权利要求1所述的一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，其特征在于：步骤2中所述的“将液压油管的热传递分成油管外壁、油管壁身、油管内壁三个部分进行分析建模”的具体步骤为： 

步骤2.1：建立油管外壁热传递模型； 

油管外壁热传导的热流密度等于油管与环境之间自然对流和辐射换热的热流密度之和，即： 

q_w＝q_dw+q_f

其中，q_w为油管外壁热传导的热流密度，q_dw为油管与环境之间自然对流的热流密度，q_f为油管与环境之间辐射换热的热流密度； 

步骤2.2：建立油管壁身热传递模型： 

油管壁身热传递包括油管自身的热传导，且属于稳态导热过程，油管外壁热流密度与油管内壁热流密度之比等于油管内径与外径之比，即： 

步骤2.3：建立油管内壁热传递模型： 

油管内壁热传递包括油管自身的热传导、油管内壁与油液之间的强迫对流换热、油管与油液之间的辐射换热，由于油管与油液之间的辐射换热通常远小于前两种热传递强度，因此可以忽略； 

步骤2.3.1：由于油管内壁不具有蓄热能力，因此油管内壁热流密度等于油管内壁与油液强迫对流换热的热流密度，即： 

q_n＝q_dn

其中，q_n为油管内壁热流密度，q_dn为油管内壁与油液强迫对流换热的热流密度； 

步骤2.3.2：管内壁热流密度q_n由下式确定： 

步骤2.3.3：油管内壁与油液强迫对流换热的热流密度q_dn由下式确定： 

q_dn＝h₂(T-T_nb) 

其中，h₂为油液与油管之间的强迫对流换热系数，T为油温。

4.根据权利要求3所述的一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，其特征在于：步骤2.1.1：油管外壁热传导的热流密度q_w由下式确定： 

其中，λ₁为油管的导热系数，T_nb为油管内壁的热力学温度，T_wb为油管外壁的热力学温度，d_w为油管外径，d_n为油管内径，λ₁近似为常数，d_w和d_n为已知量。 

5.根据权利要求3所述的一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，其特征在于：步骤2.1.2：油管与环境之间自然对流的热流密度q_dw由下式确定： 

q_dw＝h₁(T_wb-T₀) 

其中，h₁为油管外壁与环境的换热系数，T₀为环境的热力学温度，h₁近似为常数。 

6.根据权利要求3所述的一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，其特征在于：步骤2.1.3：油管与环境之间辐射换热的热流密度q_f由下式确定： 

其中，ε为油管表面的发射率，σ为斯忒潘-玻尔兹曼常数，ε和σ均为常数。 

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