CN105806503B - 一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构 - Google Patents

一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构 Download PDF

Info

Publication number
CN105806503B
CN105806503B CN201610248708.8A CN201610248708A CN105806503B CN 105806503 B CN105806503 B CN 105806503B CN 201610248708 A CN201610248708 A CN 201610248708A CN 105806503 B CN105806503 B CN 105806503B
Authority
CN
China
Prior art keywords
thermocouple
film
point
multiple spot
matrix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610248708.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105806503A (zh
Inventor
唐菲
赵庆军
赵巍
孙小磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Original Assignee
Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Engineering Thermophysics of CAS filed Critical Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority to CN201610248708.8A priority Critical patent/CN105806503B/zh
Publication of CN105806503A publication Critical patent/CN105806503A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105806503B publication Critical patent/CN105806503B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于流体动态温度测量的薄膜热电偶测温传感器结构，由若干个周向均布的单点薄膜热电偶组成，每个薄膜热电偶由埋设在柱状主结构中的热电偶丝和暴露在主结构表面的镀膜层组成。各单点热电偶有着完全相同的结构和材质，但是镀膜层厚度各不相同。本发明的多点薄膜热电偶可以用于测量流体的动态温度，由于各点的响应速度不同，会得到多个不同的测量值。采用与多点薄膜热电偶匹配的补偿算法，可以省去大量的数值计算和标定实验，有效提高动态温度的测量精度。

Description

一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构
技术领域
本发明涉及一种多点薄膜热电偶结构，可以用于流体的动态温度测量，配合与之匹配的补偿算法，可以提高流体动态温度的测量精度。
背景技术
热电偶是使用最广泛的测温传感器之一，具有成本低廉、适应范围广的优点。但是由于热电偶感受部的热惯性，无法准确测量动态变化的温度，只能用于稳态的温度测量：热电偶感受部为两根热电偶丝的节点，测温时，被测物体(或流体)不断加热(或冷却)热电偶节点，当二者达到热平衡时，热电偶测得的温度就是被测物体(或流体)的温度。在实际使用过程中，由于被测物体(或流体)与热电偶节点之间的传热率有限，而节点本身又有一定的热容量，需要时间来达到热平衡，这就导致热电偶的响应速度慢，测量动态变化的温度会有明显的滞后误差。
一般可以采用如下方法来减少提升热电偶的响应速度，减少滞后误差：1.采用细丝型热电偶，尽量减小热电偶丝的直径和节点焊接尺寸，这样可以获得较小的热电偶节点，减少其热容量，从而达到提高响应速度的目的。2.采用薄膜型热电偶，尽量减少薄膜的厚度，同样可以减少热电偶节点的热容量。3.在上述两种热电偶基础上，通过理论计算和实验标定方式建立起被测流体温度和节点温度的补偿关系式，根据关系式设计合适的补偿电路，或者直接使用软件进行在线补偿。
但是以上几种方法各有其缺点：1.细丝热电偶结构脆弱，非常容易损坏，而且随着偶丝直径的减小导致换热面积减少，所以细丝型热电偶的响应速度提高也有限。2.薄膜热电偶虽然薄膜节点的热容量低，响应快，但是由于薄膜和基材接触面极大，即便使用导热率低的基材，导热依然非常快，这会导致其测得的温度与被测流体温度有误差，需要进行修正。3.由于被测流体流动条件的变化，要建立起具有普适性的补偿关系式，需要进行大量的理论计算与标定实验，会极大的提高成本。
综上所述，现有技术中尚缺乏响应快、精度高、成本低的热电偶可以用于流体动态温度的测量。
发明内容
为了克服现有技术中上述热电偶的缺点和不足，本发明提出了一种多点薄膜热电偶结构，并提出了与其匹配补偿算法，通过对称布置多个材质结构完全相同的热电偶，使得薄膜热电偶结构可以用于不同流动状态的动态流体温度测量，而无需进行大范围多种流动状态的逐一动态标定，可以显著降低测量的滞后误差，提高流体动态温度的测量精度。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：
一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，包括一基体和若干单点薄膜热电偶，其特征在于，所述若干单点薄膜热电偶周向均布在所述基体上，各所述单点薄膜热电偶包括埋设在基体中的两根热电偶丝和暴露在基体前端平面的镀膜层，且各所述单点热电偶的结构和材质完全相同，但镀膜层的厚度各不相同。
优选地，本发明的用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构在使用时，将薄膜热电偶镀膜层的前端平面正对来流方向。
优选地，所述单点薄膜热电偶的数量为四个或以上，且各单点薄膜热电偶完全对称地设置在所述基体上。
优选地，所述基体为柱状基体，采用绝缘且导热率低的材料制成。
优选地，所述柱状基体的前端平面为光滑平面，侧面沿着轴向开槽或开孔。
进一步地，各所述单点热电偶的两根热电偶丝埋设在所述基体侧面的开槽或开孔中，延伸至前端光滑平面与之平齐，并在该前端平面处形成镀膜层，在镀膜层处形成热电偶节点。
进一步地，各所述单点热电偶的两根热电偶丝用绝缘封胶层固定在所述基体侧面的开槽或开孔中。
进一步地，各所述单点热电偶的镀膜层厚度均不同，各单点热电偶具有不同的响应速度和时间常数。
进一步地，各所述单点热电偶的镀膜形状完全相同，在所述基体的前端平面上围绕所述基体的中心呈周向对称均布。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述多点薄膜热电偶结构的制备方法，其特征在于，在基体的侧面沿着轴向开设若干槽或孔，在每个所述槽或孔内埋设两根热电偶丝，使用绝缘封胶层将热电偶丝固定在每个所述槽或孔内，热电偶丝延伸至基体的前端平面与之平齐，将该前端平面加工光滑，并在从每个槽或孔中穿出的两根热电偶丝之间使用热电偶金属材料镀上一层薄膜，形成各单点薄膜热电偶的节点，各单点薄膜热电偶的镀膜层形状尺寸完全相同，但厚度各不相同，各单点薄膜热电偶的镀膜层在基体的前端平面上围绕所述基体的中心呈周向对称均布。
本发明的用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，利用各单点薄膜热电偶的对称性和镀膜厚度控制，配合与之匹配的补偿算法，可以提高流体动态温度的测量精度。
下文结合补偿算法介绍本发明的技术方案。首先针对单个热电偶节点(也就是镀膜层)的建立换热模型方程，热电偶节点的热量变化dQJ应当等于节点与基体之间的换热量dQJ-B和节点与被测流体之间的换热量dQJ-F之和：
dQJ＝dQJ-B+dQJ-F (1)
热电偶节点的热量变化dQJ又可以表示为镀膜层质量m，比热容C和温度变化dTJ的乘积。对于一个测温过程来说，热电偶的温度TJ就是实验实测得到的温度，镀膜层的质量m和比热容C是可以事先测得的：
dQJ＝mCdTJ (2)
节点与基体之间的换热dQJ-B为热传导，可表示为镀膜面积A，换热系数KJ-B,热电偶温度TJ以及基体与热电偶接触部分的温度TB之乘积：
dQJ-B＝AKJ-B(TJ-TB) (3)
节点与被测流体之间的换热dQJ-F属于对流换热，可以表示为对流换热面积(此处等于镀膜面积)A，对流换热系数HJ-F，热电偶温度TJ以及流体实际温度TF之乘积：
dQJ-F＝AJ-FHJ-F(TJ-TF) (4)
将方程(2),(3),(4)代入(1)中可以得到：
mCdTJ＝AKJ-B(TJ-TB)+AHJ-F(TJ-TF) (5)
方程(5)中，质量m、比热容C、镀膜面积A为已知常数，实验时通过实测可以得到TJ，但TB，TF，HJ-F，KJ-B均为未知量。对于单个薄膜热电偶来说，可以通过数值计算和标定实验获得TB，HJ-F和KJ-B，从而求解(5)获得TF。但是由于对流换热系数HJ-F与流动条件有关，单个解只能用于对应的流动状态。也就是说，要保证薄膜热电偶能在各种流动状态下使用，就必须进行相应状态的标定。这就是背景技术介绍中阐述这种补偿方法的缺点。
多点薄膜热电偶则可以避免这种问题，以四点薄膜热电偶为例：通过合理的工艺设计与检测，可以精确的控制各个热电偶膜的质量m和面积A。假设镀膜厚度为整数倍数关系，四个膜的质量分别为m,2m,3m,4m，由于四个热电偶材质结构完全相同，且完全对称安装，可以认为四个热电偶的KJ-B，TB，HJ-F完全相同，与流动条件无关。每次测量实测得到的温度分别为TJ1，TJ2，TJ3，TJ3，可以联立得到方程组(6)：
mCdTJ1＝AKJ-B(TJ1-TB)+AHJ-F(TJ1-TF)
2mCdTJ2＝AKJ-B(TJ2-TB)+AHJ-F(TJ2-TF)(6)
3mCdTJ3＝AKJ-B(TJ3-TB)+AHJ-F(TJ3-TF)
4mCdTJ4＝AKJ-B(TJ4-TB)+AHJ-F(TJ4-TF)
上面的方程组拥有四个方程，而未知量KJ-B，TB，HJ-F和TF也是四个，可以直接求解，无需再进行数值计算和标定实验。
依照上述思路，多点薄膜热电偶还可以集成更多的热电偶，这样方程组(6)会拥有更多的方程：1.冗余的方程可以通过回归方法进一步提高求解精度；2.可以建立更复杂的薄膜换热模型方程，比如引入辐射换热项等；
本发明的收益效果是，本发明无需进行大范围多种流动状态的动态标定，可以用于不同流动状态的动态流体温度测量，可明显减少热电偶的滞后误差，提高测量准确度。
附图说明
图1为本发明的外形示意图；
图2为本发明基体平面镀膜俯视图；
图3为本发明在第一个实施例上的安装示意图；
图4为本发明在第二个实施实例的安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
除非另外限定，文中所用的技术和科学用语均具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解到的相同含义。如本文所用，用语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要程度，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。另外，用语“一”和’“一个”并不表示限制数量，而是表示存在所涉及物件中的至少一个。如果公开了范围，则涉及相同构件或性质的所有范围的端点都为包含性的，且可独立地相结合。结合数量使用的修饰语“大约”包含声称值，且具有上下文所指示的含义(例如，包括与具体数量的测量相关的误差程度)。
作为如图1所示，本发明的用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，包括一柱状基体1和4个单点薄膜热电偶，其中，柱状基体1为一圆柱形的基体，采用绝缘且导热率低的材料制成，在柱状基体1的侧面沿着轴向开设4个槽，将每个单点薄膜热电偶的两根热电偶丝2埋设在槽内，并使用绝缘封胶层3将热电偶丝固定，热电偶丝延伸至柱状基体1的前端平面并与之平齐，将该平面加工光滑，并在两根热电偶丝之间使用热电偶金属材料镀上一层薄膜4，便形成了薄膜热电偶节点。
图2为基体平面镀膜俯视图，1A和1B分别为细丝热电偶的正负级，2A和2B分别为镀膜层的正负极，他们导通后形成了热电偶节点，3为绝缘封胶层用于固定热电偶丝，防止其移动破坏镀膜层。从图2中可以看到四个镀膜层的形状完全相同，围绕圆心呈90度对称均布。
本发明的多点薄膜热电偶结构具体用于流体动态温度测量时，应根据测试要求，将其制成探针伸入流场中，应保证镀膜平面正对来流方向。引出的信号线使用毫伏电压表或其他可用于热电偶信号测量的数据采集设备记录，记录的数据应根据方程组(6)求解进行补偿。
图3所示实施例中，本发明的多点薄膜热电偶结构，用于测量管道100内气流的总温，制成的多点薄膜热电偶测温探针20伸入管道中心线，镀膜平面正对来流方向，因管道内流动方向必然沿轴线方向，热电偶镀膜平面与管道轴线垂直。引出的信号线使用毫伏电压表或其他可用于热电偶信号测量的数据采集设备记录，记录的数据根据方程组(6)求解进行补偿。
图4所示实施例中，本发明的多点薄膜热电偶结构，被用于测量涡轮机旋转叶片下游的气流温度，10为涡轮机转子叶片，20为根据本发明的多点薄膜热电偶结构制作的测温梳状探针，探针沿展向有三个测点，每个测点均为一个独立的多点薄膜热电偶。因为涡轮机转子叶片下游的气流方向多变，所以探针被制作为可旋转型，以便调整方向对准来流。引出的信号线使用毫伏电压表或其他可用于热电偶信号测量的数据采集设备记录，记录的数据根据方程组(6)求解进行补偿。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，包括一基体和若干单点薄膜热电偶，其特征在于，所述若干单点薄膜热电偶周向均布在所述基体上，各所述单点薄膜热电偶包括埋设在基体中的两根热电偶丝和暴露在基体前端平面的镀膜层，且各所述单点热电偶的结构和材质完全相同，但镀膜层的厚度各不相同。
2.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述多点薄膜热电偶结构在使用时，将薄膜热电偶镀膜层的前端平面正对来流方向。
3.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述单点薄膜热电偶的数量为四个或以上，且各单点薄膜热电偶完全对称地设置在所述基体上。
4.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述基体为柱状基体，采用绝缘且导热率低的材料制成。
5.根据权利要求4所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述柱状基体的前端平面为光滑平面，侧面沿着轴向开槽或开孔。
6.根据权利要求5所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，各所述单点热电偶的两根热电偶丝埋设在所述基体侧面的开槽或开孔中，延伸至前端光滑平面与之平齐，并在该前端光滑平面处形成镀膜层，在镀膜层处形成热电偶节点。
7.根据权利要求6所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，各所述单点热电偶的两根热电偶丝用绝缘封胶层固定在所述基体侧面的开槽或开孔中。
8.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，各所述单点热电偶的镀膜层厚度均不同，各单点热电偶具有不同的响应速度和时间常数。
9.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，各所述单点热电偶的镀膜形状完全相同，在所述基体的前端平面上围绕所述基体的中心呈周向对称均布。
10.一种上述权利要求1至9任一项所述的多点薄膜热电偶结构的制备方法，其特征在于，在基体的侧面沿着轴向开设若干槽或孔，在每个所述槽或孔内埋设两根热电偶丝，使用绝缘封胶层将热电偶丝固定在每个所述槽或孔内，热电偶丝延伸至基体的前端平面与之平齐，将该前端平面加工光滑，并在从每个槽或孔中穿出的两根热电偶丝之间使用热电偶金属材料镀上一层薄膜，形成各单点薄膜热电偶的节点，各单点薄膜热电偶的镀膜层形状尺寸完全相同，但厚度各不相同，各单点薄膜热电偶的镀膜层在基体的前端平面上围绕所述基体的中心呈周向对称均布。
CN201610248708.8A 2016-04-20 2016-04-20 一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构 Active CN105806503B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610248708.8A CN105806503B (zh) 2016-04-20 2016-04-20 一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610248708.8A CN105806503B (zh) 2016-04-20 2016-04-20 一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105806503A CN105806503A (zh) 2016-07-27
CN105806503B true CN105806503B (zh) 2018-07-06

Family

ID=56457350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610248708.8A Active CN105806503B (zh) 2016-04-20 2016-04-20 一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105806503B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3290883B1 (en) * 2016-08-31 2019-08-14 Ansaldo Energia Switzerland AG Temperature probe
CN107300425B (zh) * 2017-07-06 2019-12-20 北京大学 一种温度传感器以及温度测量方法
CN107131965B (zh) * 2017-07-13 2024-01-02 大连交通大学 一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器
CN108801486A (zh) * 2018-07-25 2018-11-13 佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司 温度检测器和具有其的烹饪灶具
CN109959463A (zh) * 2019-03-12 2019-07-02 哈尔滨理工大学 一种快响应冗余膜式热电偶
CN114166362B (zh) * 2021-10-20 2023-09-01 中国航发四川燃气涡轮研究院 一种基于组合丝径热电偶的动态测温时频补偿方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5196880B2 (ja) * 2007-06-20 2013-05-15 熱産ヒート株式会社 薄膜型熱電対製造装置
CN102419217B (zh) * 2011-08-22 2013-04-10 北京大学 一种金属薄膜微米尺度热电偶器件
CN102853930B (zh) * 2012-08-24 2014-04-23 大连交通大学 一种柴油机活塞瞬态温度测量系统及其测量方法
CN202956137U (zh) * 2012-09-26 2013-05-29 中国电子科技集团公司第四十八研究所 一种薄膜温度烧蚀复合传感器
CN102914560A (zh) * 2012-10-16 2013-02-06 上海大学 一种测量薄膜热电性能参数的装置和方法
CN204286623U (zh) * 2014-11-19 2015-04-22 中国电子科技集团公司第四十八研究所 一种用于快速响应温度测量的薄膜温度传感器
CN105318983A (zh) * 2015-10-30 2016-02-10 中国电子科技集团公司第四十八研究所 柔性薄膜热电偶温度传感器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105806503A (zh) 2016-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105806503B (zh) 一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构
US4779994A (en) Heat flux gage
CN104730283B (zh) 一种基于mems技术的三维风速风向传感器及其制备方法
CN106017696A (zh) 热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法
WO2019154129A1 (zh) 一种基于纤毛温度传感的柔性电子皮肤及其制备方法
CN106770435B (zh) 一种环形结合面不同配合下接触载荷的计算方法
CN106768493A (zh) 一种串联供电的薄膜热阻式热流传感器
CN106225959A (zh) 一种柔性薄膜热流传感器及其制备方法
Piotto et al. Fabrication and characterization of a directional anemometer based on a single chip MEMS flow sensor
CN107543618A (zh) 基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置
WO2019201229A1 (zh) 一种3d直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法
CN107543634B (zh) 基于柔性薄膜热电堆的条纹式辐射热流测量装置
CN103900727B (zh) 一种用于瞬态温度测量的薄膜传感器及其制作方法
CN109141686B (zh) 一种基于热电堆原理的热流传感器
CN106197751A (zh) 一种温度场的温度测量方法及装置
CN103713013B (zh) 测试管状材料轴向导热系数的装置
CN111024269B (zh) 一种测量沿壁面热流的平面型热流传感器及其标定方法
CN101871900A (zh) 一类用于导热系数测量的传感器
CN108956686B (zh) 一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法
CN109211342B (zh) 一种气流流量计、mems硅基温敏芯片及其制备方法
CN202403836U (zh) 多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构
Lan et al. Fabrication and characterization of dual coordinate self examined thermal flow sensor arrays based on longitudinal heat conduction
CN113551778B (zh) 一种热像仪相对测温性能评估装置
CN108254094A (zh) 一种温度测量共极三电偶结构
CN106323493B (zh) 一种温度场、热流密度场测量一体化装置及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant