CN103868623B - 一种管道内液体温度的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内液体温度的测量装置和方法，上述装置包括：至少一个内层温度传感器、至少一个外层温度传感器、柔性导热材料带和超声波液体流量计；所述内层温度传感器设置在管道外表面的温度测量位处；所述柔性导热材料带紧密套置在管道的温度测量位处，并包覆住所述内层温度传感器；所述外层温度传感器设置在所述柔性导热材料带外表面；所述超声波液体流量计在管道外表面的流量测量位处；本发明的管道内液体温度的测量装置和方法不会破坏管道的结构、不与管道内的液体发生接触，使用的装置和测量过程简单、易操作、能在全封闭的管道上测量，且具有较高的测量精度。

Description

一种管道内液体温度的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置和方法，特别是指一种管道内液体温度的测量装置和方法。

背景技术

节能减排是建设资源节约型社会的必然选择，是推进经济结构调整转变增长方式的必经之路，我国能源法规定，2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%。在节能之前要有一套完整的能源测量系统，而在工厂内部和外部环境中会有各种各样的圆形管道，在对工厂消耗能源测量过程中，必须对管内的液体参数进行测量，对于封闭式管道，用传统方法对管道内液体温度进行测量，将会破坏管道，影响工厂的正常生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种在不破坏管道、不影响工厂正常生产的情况下对管道内的液体温度进行测量装置和方法。

基于上述目的本发明提供的一种管道内液体温度的测量装置，包括：至少一个内层温度传感器、至少一个外层温度传感器、柔性导热材料带和超声波液体流量计；所述内层温度传感器设置在管道外表面的温度测量位处；所述柔性导热材料带紧密套置在管道的温度测量位处，并包覆住所述内层温度传感器；所述外层温度传感器设置在所述柔性导热材料带外表面；所述超声波液体流量计在管道外表面的流量测量位处。

优选的，当所述内层温度传感器多于一个时，多个所述内层温度传感器沿着管道的圆周方向均匀设置；当所述外层温度传感器多于一个时，多个所述外层温度传感器沿着所述柔性导热材料带的圆周方向均匀设置。

优选的，所述温度测量位和流量测量位均处于在管道上直径变化小且远离接口和拐角的位置。

优选的，所述管道外表面上的所述温度测量位和流量测量位均为磨光面区域。

优选的，所述磨光面区域的轴向长度大于10cm。

优选的，所述外层温度传感器与所述柔性导热材料带紧密接触，且使所述柔性导热材料带仅有微小形变。

本发明还提供了一种使用如上所述的测量装置测量管道内液体温度的方法，包括以下步骤：

a）通过所述内层温度传感器获取所述管道外表面温度；

b）通过所述外层温度传感器获取所述柔性导热材料带外表面温度；

c）通过超声波液体流量计获取所述管道内液体的平均流速；

d）假设管道内液体温度为T_s并根据所述管道内液体的平均流速，计算在假设管道内液体温度T_s下的管道内液体的传热系数h₀；

e）通过如下公式计算在假设管道内液体温度T_s下的管道内液体温度T_y：

$T_y=T_{w1}+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_g}{\ln ((R+\mathrm{\δ})/R)}(\frac{1}{2\mathrm{\πr}{h}_0}+\frac{\ln (R/r)}{2\mathrm{\π\λ}})(T_{w1}-T_g)$

其中，T_w1为管道外表面温度，T_g1为柔性导热材料带外表面温度，R为管道外圆半径，r为管道内腔半径，δ为柔性导热材料带厚度，h₁为管道外空气的传热系数，λ为管道的导热系数，λ_g为柔性导热材料带的导热系数；

f）选取T_s与T_y的中值作为管道内液体温度假设值，重复进行步骤d）和e），直至T_s与T_y之间的差值在标准范围内，此时的T_y即为管道内液体温度测量值。

优选的，当所述内层温度传感器多于一个时，获取的所述管道外表面温度为多个所述温度传感器测量值的平均值；当所述外层温度传感器多于一个时，获取的所述柔性导热材料带外表面温度为多个所述温度传感器测量值的平均值。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种管道内液体温度的测量装置和方法，通过温度传感器分别测量管道外表面和弹性导热材料的表面温度，并通过数据的计算得出测量值；相比于常用的管道内液体的测量方法，本发明的测量装置和方法不会破坏管道的结构、不与管道内的液体发生接触，使用的装置和测量过程简单、易操作、能在全封闭的管道上测量，且具有较高的测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例的管道内液体温度的测量装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供的一种管道内液体温度的测量装置，包括：至少一个内层温度传感器、至少一个外层温度传感器、柔性导热材料带和超声波液体流量计；所述内层温度传感器设置在管道外表面的温度测量位处；所述柔性导热材料带紧密套置在管道的温度测量位处，并包覆住所述内层温度传感器；所述外层温度传感器设置在所述柔性导热材料带外表面；所述超声波液体流量计在管道外表面的流量测量位处。

所述温度测量位和流量测量位均优选的选取在管道上直径变化小且远离接口和拐角的位置，以保证测量精度。根据时间的测量需要或是具体的精度要求，温度测量位和流量测量位可以选择在管道上同一位置，也可以选择在管道上的不同位置。具体的，对于常见的截面为圆形的管道，温度测量位和流量测量位为管道外表面上的带状区域。

所述管道外表面上的所述温度测量位和流量测量位均为磨光面区域。由于管道可能因为使用时间较长，在其外表面上会有锈迹或污渍，则需要将温度测量位和流量测量位处的管道外表面打磨干净，直至露出金属光泽。

进一步的，所述磨光面区域的轴向长度大于10cm。磨光面区域需要足够大而满足温度传感器在安装时能够完全处于磨光面区域内以达到最佳的测量效果，即磨光面区域在沿管道的轴向上需要有足够的长度，参考常用的温度传感器规格，优选的磨光面区域的轴向长度大于10cm。相应的，温度传感器设置在磨光面区域的中间位置，避免出现温度传感器在靠近磨光面区域设置时出现的测量精度降低的问题。此外，根据测量时使用的不同规格的温度传感器，磨光面区域的大小可以根据实际需要而改变。

柔性导热材料带紧密套置在管道的温度测量位处，并包覆住所述内层温度传感器。柔性导热材料带还能够进一步的通过胶水与管道实现紧密的连接固定，胶水层的厚度可以忽略不计，同时，涂抹胶水固定后，轻压柔性导热材料带，以挤出胶水中的气泡，提高测量精度。

外层温度传感器设置在所述柔性导热材料带外表面，优选的可以通过胶带粘接在柔性导热材料带上，其固定位置需远离柔性导热材料带的边缘。进一步的，固定后使外层温度传感器与所述柔性导热材料带紧密接触，且使所述柔性导热材料带仅有微小形变，即在保证粘结强度的前提下，使柔性导热材料带的厚度发生尽量小的变化。在满足上述条件时，外层温度传感器与柔性导热材料带之间的其他的固定方式也可以选取。

出于对测量数据准确性的考虑，当所述内层温度传感器多于一个时，多个所述内层温度传感器沿着管道的圆周方向均匀设置，即优选的，多个内层温度传感器沿着管道的一条圆周线等间距的设置，以实现对于一个数据的多点测量，达到更高精度。同理，当所述外层温度传感器多于一个时，多个所述外层温度传感器沿着所述柔性导热材料带的圆周方向均匀设置。作为优选的，当内层温度传感器和外层温度传感器均为多个时，其数量相同，且多个内层温度传感器和外层温度传感器设分布设置方式相同，即在管道的一条直径的延长线方向上，设置有一个内层温度传感器和一个外层温度传感器。

参考图1，为本发明实施例的管道内液体温度的测量装置结构示意图。

作为一个实施例，本实施例的测量装置包括有四个用于测量管道4外表面温度的内层温度传感器2，四个用于柔性导热材料带3外表面温度的外层温度传感器1。四个内层温度传感器2沿管道4外表面的圆周均匀分布设置在温度测量位，柔性导热材料带3紧密套置在管道4的温度测量位处，并将四个内层温度传感器2包覆在其内。四个外层温度传感器1相应的设置在柔性导热材料带3的外表面。如本实施例的测量装置的设置方式，优选的用于内腔充满待测液体5的管道测量。

本发明实施例还提供了一种使用上述实施例的测量装置测量管道内液体温度的方法，包括以下步骤：

a）通过所述内层温度传感器获取所述管道外表面温度；

b）通过所述外层温度传感器获取所述柔性导热材料带外表面温度；

c）通过超声波液体流量计获取所述管道内液体的平均流速；

d）假设管道内液体温度为T_s并根据所述管道内液体的平均流速，计算在假设管道内液体温度T_s下的管道内液体的传热系数h₀；

e）通过如下公式计算在假设管道内液体温度T_s下的管道内液体温度T_y：

$T_y=T_{w1}+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_g}{\ln ((R+\mathrm{\δ})/R)}(\frac{1}{2\mathrm{\πr}{h}_0}+\frac{\ln (R/r)}{2\mathrm{\π\λ}})(T_{w1}-T_g)$

其中，T_w1为管道外表面温度，T_g1为柔性导热材料带外表面温度，R为管道外圆半径，r为管道内腔半径，δ为柔性导热材料带厚度，h₁为管道外空气的传热系数，λ为管道的导热系数，λ_g为柔性导热材料带的导热系数；

f）选取T_s与T_y的中值作为管道内液体温度假设值，重复进行步骤d）和e），直至T_s与T_y之间的差值在标准范围内，此时的T_y即为管道内液体温度测量值。

在本实施例中，读取内层温度传感器的读数以得到管道外表面温度T_w1，读取外层温度传感器的读数以得柔性导热材料带外表面温度T_g1，读取超声波液体流量计的读数以得到管道内液体的平均流速u。

进一步的，当所述内层温度传感器多于一个时，获取的所述管道外表面温度为多个所述温度传感器测量值的平均值；当所述外层温度传感器多于一个时，获取的所述柔性导热材料带外表面温度为多个所述温度传感器测量值的平均值。

管道外圆半径R和管道内腔半径r可以查阅管道的相关资料，从其相关规格参数记录中获取，或是通过对管道实物进行测量得到。

根据选用的柔性导热材料带的材料和管道的材料，可查得柔性导热材料带的导热系数λ_g和管道的导热系数λ，测量得到柔性导热材料带厚度δ。同时查表获得管道外空气的传热系数h₁。

于步骤d）中首先假设管道内液体温度为T_s，结合读取超声波液体流量计的读数得到的管道内液体的平均流速u，通过如下公式计算得到管道内液体的传热系数h₀：

管道内液体为层流： $h_0=\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{d}1.86{\left(\frac{\mathrm{ud}}{v_f}{\mathrm{Pr}}_f\frac{d}{l}\right)}^{\frac{1}{3}}{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_f}{{\mathrm{\μ}}_w}\right)}^{0.14}$

管道内液体为湍流： $h_0=\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{d}*\frac{(f/8)(\mathrm{Re}-1000){\mathrm{Pr}}_f}{1+12.7\sqrt{f/8}({\mathrm{Pr}}_f^{2/3}-1)}[1+{\left(\frac{d}{l}\right)}^{2/3}]c_t$

其中，Pr_f为普朗特数，d为管道内径，l为管道长度，μ_f管内液体动力粘度，μ_w为液体在管道外表面温度条件下的动力粘度，v_f为液体的运动粘度，c_t为修正系数，Re为雷诺数。

上述的相关参数均根据管道内的液体通过相关资料查得。

实施例1

通过本发明实施例的方法测量蒸汽加热方式的凹版印刷机械输出管道液体的温度，管道内的液体为水，柔性导热材料带的材料为硅胶。

首先通过上述方法中的步骤a）、步骤b）、步骤c），测得相关的数据，具体如表1。

表1

假设管内水温T_s为80℃，为饱和水，输入蒸汽为饱和蒸汽。因管外空气流动过于复杂，参考相关设计资料，取空气的传热系数为h₁=10。通过参考文献查得80℃饱和水的热物理性质为：v_f=0.365×10^-6m²/s，u_f=355.1×10^-6pa·s，λ_f=67.4×10^-2W/(m·K)，Pr=2.21，u_w=549.4×10^-6pa·s，通过超声液体流量计测量得到液体平均流速u=0.068m/s，在管内液体为层流条件下，测量处管道长l=2.45m，将上述参数代入测流条件下的传热系数公式得h₀=187.31，将h₀及表1中各参数代入步骤e）的公式中得T_y=76℃。

取T_s与T_y的中值78℃，作为管道内液体温度假设值重复上述的计算过程，直至计算得到的T_y与T_y的差值小于等于1℃时，当前的计算值即为管道内液体温度测量值。

本实施例中，T_y与T_y的差值的标准范围为1℃；显然，该标准范围可以根据实际的测量精度需要而设定。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种管道内液体温度的测量装置，其特征在于，包括：至少一个内层温度传感器、至少一个外层温度传感器、柔性导热材料带和超声波液体流量计；所述内层温度传感器设置在管道外表面的温度测量位处；所述柔性导热材料带紧密套置在管道的温度测量位处，并包覆住所述内层温度传感器；所述外层温度传感器设置在所述柔性导热材料带外表面；所述超声波液体流量计在管道外表面的流量测量位处。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，当所述内层温度传感器多于一个时，多个所述内层温度传感器沿着管道的圆周方向均匀设置；当所述外层温度传感器多于一个时，多个所述外层温度传感器沿着所述柔性导热材料带的圆周方向均匀设置。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述温度测量位和流量测量位均处于在管道上直径变化小且远离接口和拐角的位置。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述管道外表面上的所述温度测量位和流量测量位均为磨光面区域。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述磨光面区域的轴向长度大于10cm。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述外层温度传感器与所述柔性导热材料带紧密接触，且使所述柔性导热材料带仅有微小形变。

7.一种使用如权利要求1至6任一项所述的测量装置测量管道内液体温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)通过所述内层温度传感器获取所述管道外表面温度；

b)通过所述外层温度传感器获取所述柔性导热材料带外表面温度；

c)通过超声波液体流量计获取所述管道内液体的平均流速；

d)假设管道内液体温度为T_s并根据所述管道内液体的平均流速，计算在假设管道内液体温度T_s下的管道内液体的传热系数h₀；

e)通过如下公式计算在假设管道内液体温度T_s下的管道内液体温度T_y：

$T_y=T_{w1}+\frac{2{\mathrm{\π\λ}}_g}{\ln \left(\right(R+\mathrm{\δ})/R)}(\frac{1}{2{\mathrm{\πrh}}_0}+\frac{\ln (R/r)}{2\mathrm{\π}\mathrm{\λ}})(T_{w1}-T_g)$

其中，T_w1为管道外表面温度，T_g为柔性导热材料带外表面温度，R为管道外圆半径，r为管道内腔半径，δ为柔性导热材料带厚度，h₀为管道内空气的传热系数，λ为管道的导热系数，λ_g为柔性导热材料带的导热系数；

f)选取T_s与T_y的中值作为管道内液体温度假设值，重复进行步骤d)和e)，直至T_s与T_y之间的差值在标准范围内，此时的T_y即为管道内液体温度测量值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述内层温度传感器多于一个时，获取的所述管道外表面温度为多个所述温度传感器测量值的平均值；当所述外层温度传感器多于一个时，获取的所述柔性导热材料带外表面温度为多个所述温度传感器测量值的平均值。