CN1109592A - 智能式多功能传热参数测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能式，多功能传热参数测量 装置，该装置由探头组、信号预处理单元、数据处理单 元(配有专用测量数学模型软件)组成，只需由三个探 头测的四个温度信号，便可得出多个传热参数的值， 本仪器可用于各种现场环境中，使用简便快捷，准确 度高。

Description

本发明涉及一种通过温度的测试在工业现场进行传热参数测量的仪器，尤其涉及一种同时对导热系数、热阻、热流量、设备内流体的温度以及环境放热系数测量的仪器。

现有的传热参数测量仪，一般都只能测量一、两个参数，而不能同时进行多个参数的测量。例如，专利CN 87213622U（公告日：1988年7月27日），只是涉及一种对材料导热系数进行测量的仪器，其测量原理是：在测试时，将一根热阻丝设置于被测材料内，然后通电加热，通过焊在被测材料内的热阻丝上的热电偶取出被测材料的温度信号，输入给信号处理器，再由仪器自身的专用微机系统给出测量值。

此外，现有的传热参数测量仪一般都不能用于现场测量，或存在某些明显的缺点。目前，尚未发现可在工业现场实测保温材料或设备的导热系数λ和热阻R的测量方法和仪器。在工业现场中有两种测量热流量（Q）的方法：一种是采用“热流片”直接进行热流量测量，即将“热流片”紧贴被测物表面，通过测“热流片”两端的电压乘换算系数，即得出热流量值，但因接触不良和环境风速影响，测量误差大;另一种是将已知导热系数的标准材料贴在被测对象上，通过测标准材料两面的温差，计算出热流量，但此法只能测出热流量这一种参数。测量管道内流体温度的方法虽有很多，但都必须通过预先安装在管道上的测温仪表进行测量，因而对于带有较厚保温层的长距离管线上（如输油管线或蒸汽管线）任意一段管内流体的温度测量是很困难的，除非把保温层扒开，把测温敏感元件放到保温层与管道之间，通过测管道外表的温度来间接地代表管内温度，但这样做不仅破坏了管线原来的外表，而且测量结果不准确，操作也很不方便，所以非万不得以不这样做。环境放热系数（α0）是在实验室中，应用标准仪器，做大量测试实验，然后将结果制成表格供使用时查找。由于环境放热系数是热传导、热对流和热辐射三种基本传热方式的综合表征，受影响的因素十分复杂，设计时所用的给定条件与实际环境往往相差较大，所以查表得到的环境放热系数与实际值不可避免地存在一定的误差，目前还未看到有实测环境放热系数（α0）的方法和仪器。

本发明的目的在于提供一种高度智能化的、多功能的、使用简单方便的、便携式的传热参数测量仪器，从而克服了现有的测量仪器功能少且不能同时进行多种传热参数的现场测量的缺点。

本发明的测量仪器可同时进行下述多种传热参数的测量：

（1）测量现场的实际综合热阻（R）;被测材料工作温度下的综合导热系数（λ）;若被测介质温度可调，还可测量出导热系数随温度变化的导热系数方程（λ＝A+B.Tcp）中的A，B值;

（2）不破坏保温管道或设备原外表的情况下，从保温层外测知管道或设备内部流体的实际温度（Tf）;

（3）测量现场实际的环境放热系数（α0）;

（4）测量实际管道或设备的热损失流量（Q）;

此外，还可同时提供以下经济分析数据：

（5）实际系统一定时期的热损失，并分别以标煤、标油或人民币表示;

（6）结合实测传热参数，自动计算最经济的热阻，并与实际热阻比较，为节能改造提供依据;

（7）对实测传热参数提出多种节能改造方案，并对各种方案进行优化经济分析，包括投资额和回收期分析等;

（8）用实际系统和标准探头作为实验系统，可用于测量其它保温材料的导热系数（λ）。

本发明的目的可通过以下的方式来达到：一种智能式多功能传热参数测量仪，由探头组、信号预处理单元和数据处理单元组成。其中探头组包括一个主探头和两个辅探头，其作用是将被测量转换成测量信号。三个探头分别通过补偿导线与信号预处理单元连接，信号预处理单元通过多芯电缆与数据处理单元连接。

所说的主探头由具有已知热阻的标准材料和能测其两面的表面温度的测温元件组成。标准材料可选用有机保温材料或无机保温材料，其基本要求是易于加工成型，易于紧贴在被测对象的表面，并预先知道其导热系数方程。有机保温材料可用聚乙烯泡沫材料、聚氨基甲酸酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫材料;N.B.R橡胶发泡材料、软木等。无机保温材料可用发泡玻璃、超细玻璃棉、硅酸钙、膨胀珍珠岩、水泥膨胀珍珠岩、沥青膨胀珍珠岩、沥青玻璃棉毡、矿渣棉、沥青矿渣棉毡、泡沫水泥、加气混凝土等。测温元件可用表面热电偶、热电偶、各种热电阻、热敏电阻、水银温度计、液体膨胀温度计、以及各种温度变送器等，其基本要求是易于测量探头中的标准材料两表面的温度，两个辅探头均由测温元件组成，分别用于测量被测对象的表面温度和环境温度。两辅探头的测温元件可选用与主探头相同的任何一种类型。

所说的信号预处理单元可选用手动信号预处理单元或自动信号预处理单元，其作用是对采集的测量信号进行预处理，如量程换算、线性化处理等。手动信号预处理单元可根据采用的是直读式测温元件或非直读式测温元件的不同，采用不同的处理方式：对于直读式测温元件，如水银温度计、液体膨胀式温度计、各种温度变送器等，直接读测量信号，不需要预处理;对于非直读式测温元件，如热电偶、表面热电偶、各种热电阻、热敏电阻等需要查对照表或手工换算成相应的测量信号。自动信号预处理单元主要用于非直读式测温元件，如热电偶、表面热电偶、各种热电阻、热敏电阻等。自动信号预处理单元需采用一套电子设备对测量信号自动进行诸如采样开始时间、采样时间间隔、采样次数、采样信号的存储、采样信号的放大、采样信号的线性化和采样信号的显示等的自动控制与预处理。

所说的数据处理单元可选用手动数据处理单元、半自动数据处理单元或全自动数据处理单元，其作用是对预处理后的测量信号作深入的数据处理，最后以标准的计量单位显示或打印测量参数。所说的手动数据处理单元的最简单的方式是用笔、纸和计算器，根据测量方法计算出最后结果，这种方式慢且易出错，但易实现且成本低。所说的半自动数据处理单元采用手工输入与可编程序计算器相结合，将信号预处理单元处理后得到的信号，手工键入可编程序计算器，经可编程序计算器中简化后的测量数学模型软件计算，最后得出测量结果，这种方式比手动方式快，不易出错。但由于可编程序计算器功能有限，只能进行一般处理，不能运行高级测量数学模型软件。所说的全自动数据处理单元采用通用微机，将信号预处理后得到的信号，直接或通过软盘方式送入微机（也可利用已有的微机），经高级测量数学模型软件计算，最后显示或打印出测量结果，这种方式速度快，信息多，不易出错，但微机占用的成本比例较大。

在所说的数据处理单元中可配有专用测量数学模型软件，包括简化测量数学模型软件和高级测量数学模型软件两种。其中简化测量数学模型软件适用于自动信号预处理单元、半自动数据处理单元或全自动数据处理单元，一般只运行测量数学模型软件的基础部分，即输出被测对象的综合热阻、温差、热损失流量、设备内物流的温度和环境放热系数等结果;高级测量数学模型软件适用于自动信号预处理单元和全自动数据处理单元，除运行测量数学模型软件的基础部分，即输出被测对象的热阻、温差、热损失流量、设备内物流的温度和环境放热系数外，还输出被测材料的导热系数方程，并根据实测的综合热阻，输出当时的实际保温经济厚度和与理论经济厚度之差以及输出用各种已有保温材料进行保温改造时的经济指标，如应增加的保温厚度、改造后的保温效果、改造投入与回收期、优选最佳改造方案等结果

附图1是本发明的仪器的一种典型实施例。附图2是主探头的结构图。附图3是自动信号预处理单元结构图。附图4是专用测量数学模型框图。下面结合附图对本发明作进一步的详述，但本发明并不限于此。

参见附图1。主探头[1]和辅探头[2]分别贴于管道保温层[6]的外表上，保温层[6]包在管道[7]的周围，在管道[7]内为被输送的流体[8]。主探头[1]、辅探头[2]和辅探头[3]分别通过补偿导线与信号预处理单元[4]连接，信号预处理单元[4]通过多芯电缆与数据处理单元[5]相连。主探头[1]、辅探头[2]和辅探头[3]分别将主探头内外表温度、保温层外表温度及环境温度的热电信号输给信号预处理单元[4]，经处理后的信号进入数据处理单元[5]进行测量处理，然后给出测量的结果。此测量仪的测量原理如下：

由本测量仪直接测出环境温度、主探头外表温度、保温层外表温度、主探头内表温度，分别记为t0、t1、t2和t3。主探头的热阻为已知，记为Rc。

设：被测物体内部温度为tf

加主探头的情况下，被测物的综合热阻为Rx

环境换热热阻为Ra

热损失流量为Q1

不加主探头的情况下，被测物的综合热阻为Rx′

环境换热热阻为Ra′

热损失流量为Q2

被测物综合热阻Rx′应为四部分之和，即：

Rx′＝R1+R2+R3+R4

其中：

R1为热流体对金属管壁的对流换热系数的倒数。一般流体的对流换热系数为80-10000，其倒数为0.0001-0.012，只为保温材料热阻的0.15%以下。

R2为金属管道厚度的热阻。一般金属的导热系数为30-330（钢为38.7），其厚度为1-20毫米，因热阻为厚度除以导热系数，所以热阻为0.0000006-0.0007，只有保温材料的0.15%以下。

R3为管道保温层的热阻。一般保温材料导热系数为0.03-0.1，厚度为10-200毫米，其热阻为1-7，比R1和R2之和大500-10000倍。

R4为管道保温层外的保护层热阻。外保护层一般是0.5毫米镀锌铁皮，热阻也只有保温材料的万分之几。

所以，R1+R2+R4之和不超过R3的0.3%，对于进行工业上的热阻计算（其允许误差可在10%以内）是可以忽略不计的，即认为综合热阻Rx′等于保温层热阻R3。

根据热流及传热方面的定律，可得：

Q1＝ (tf-t3)/(Rx) ＝ (t3-t1)/(Rc) ＝ (t1-t0)/(Ra) （1）

一般可认为Rx＝Rx′，Ra＝Ra′故：

Q1＝ (tf-t3)/(Rx′) ＝ (t3-t1)/(Rc) ＝ (t1-t0)/(Ra′) （2）

Q2＝ (tf-t2)/(Rx′) ＝ (t2-t0)/(Ra′) （3）

由（2）和（3）联立即可解得：

tf＝ (（t3-t2）.（t1-t0）)/(t2-t1) +t3 （4）

Rx′＝ (Rc.（t3-t2）.（t1-t0）)/(（t3-t1）.（t2-t1）) （5）

Ra′＝ (Rc.（t1-t0）)/(t3-t1) （6）

Q2＝ (（t3-t1）.（t2-t0）)/(Rc.（t1-t0）) （7）

由上述公式即可得出所需的测量结果。此外，如有需要，本仪器还可由公知公式经高级测量数学模型软件计算，输出以下结果：

.被测材料导热系数方程;

.经济保温厚度;

.按经济厚度改造应增加保温厚度及经济效果;

.按最佳回收期改造应增加保温厚度及经济效果;

.按任意给定保温厚度改造及经济效果;

.按任意给定回收期改造应增加保温厚度及经济效果;

.按单位厚度最佳收益改造及经济效果;

.按投入＝产出改造及经济效果。

参见附图2.主探头由具有标准热阻的一块矩型聚乙烯泡沫材料[1]及两个镍铬镍铝表面热电偶[2]和[3]组成。热电偶[2]和[3]分别紧贴于聚乙烯泡沫材料[1]的两个相对面上。

参见附图3.由探头组测得的信号t0、t1、t2和t3等四个电信号通过补偿导线同时送入自动信号预处理单元进行信号的预处理。自动信号预处理单元由电子采样开关[1]、毫伏电信号运算放大器[2]、积分模数转换器[3]、系数转换器[4]、信号存储器[5]、液晶显示器[6]、编码器[7]、自校电路[8]、单片机[9]、小型键盘[10]和电源系统[11]组成。自动信号预处理单元在单片机[9]或通用微机的控制下，以100点/秒-1点/小时的速度经电子采样开关[1]对t0～t3采样，毫伏电信号经运算放大器[2]放大后，用积分模数转换器[3]变成数字信号，经数字系数转换器[4]变换的同时，对热偶信号进行非线性补偿和经简化测量数学模型软件运算后，得到的数字信号存储在信号存储器[5]中，数字信号一面在液晶显示器[6]显示的同时，经编码器[7]变成RS-232标准串口信号，然后发往通用微机。为克服仪器零点飘移和满量程标定，设有自校电路[8]。整个单元在单片机[9]的控制下进行。该单元自带小型键盘[10]和电源系统[11]。

参见附图4.专用测量数学模型软件由主控程序[1]、输入/自动采集数据模块[2]、计算材料的λ模块[3]、计算经济厚度（经济热阻）模块[4]、各种经济分析模块[5]、各种设计计算模块[6]和查/打印结果模块[7]组成。输入/自动采集数据模块[2]用于输入或自动采集原始数据。模块[3]、[4]、[5]和[6]分别用于计算各种参数。模块[7]用于查询各种中间结果和打印测量结果。主控程序[1]用于控制各个模块。

本发明的测量仪器具有较高的精度。从计算公式可看出，被测物体的内部温度（tf）、综合热阻（Rx′）、热损失流量（Q2）和环境放热热阻（Ra′）等只与测量温度t0-t3和标准热阻（Rc）有关，与其它参数无关。t0-t3采用表面热电偶测量，一般分辨率可达0.1度，达到0.5%的测量精度。标准热阻（Rc），在目前的技术水平下，在实验室用高精度导热系数测量仪标定，可达到1%-5%的精度。因此，整个仪器的测量精度主要由标准热阻（Rc）来确定。其它综合误差不超过1%。所以整个仪器的最大测量误差不超过6%。

本发明的优点还在于发明了一种通过测量四个温度信号即可同时给出多个传热参数并以计算机为计算工具的测量方法，该测量方法使用的测量元件结构简单，利用该方法制成体积小、重量轻、功能齐全、智能化、便携式的传热参量的测量仪器，填补了国内外在传热测量仪器中无现场测量热阻及导热系数的仪器的空白。同时，本发明的方法也是一种用测温元件从已保温设备外部测量设备内部温度的方法，从而为测试工作带来了极大的便利。

本发明的仪器可广泛地应用于各种现场环境中，可以对实际的热阻、综合导热系数、热损失流量、动态的环境放热系数、保温材料的内外温差、设备的表面温度和管线上任意一点的内部流体温度等参数进行测量。

Claims (4)

1、一种智能式多功能传热参数测量仪，由探头组、信号预处理单元、数据处理单元组成，其特征在于所说的探头组包括一个主探头和二个辅探头，其中主探头由已知热阻的标准材料和在该标准材料二个相对面上各安装一个用于测量其表面温度的测温元件组成，一个辅探头为用于测量被测物表面温度的测温元件，另一个辅探头为用于测量环境温度的测温元件，三个探头分别通过补偿导线与信号预处理单元连接，信号预处理单元通过多芯电缆与数据处理单元连接。

2、一种按照权利要求1所说的传热参数测量仪，其特征在于所说的主探头中的已知热阻标准材料为聚乙烯泡沫材料。

3、一种按照权利要求1所说的传热参数测量仪，其特征在于所说的三个探头上的测温元件为表面热电偶。

4、一种按照权利要求1～3之一所说的传热参数测量仪，其特征在于所说的数据处理单元为配有专用测量数学模型软件的微机。

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