CN113074824B - 一种测温方法、测温元件和测温装置 - Google Patents

一种测温方法、测温元件和测温装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种测温方法、测温元件和测温装置，其中测温方法包括将主热电偶置于流体中获取第一温度，将两个辅助热电偶置于主热电偶的第一导体和第二导体上以获取第二温度和第三温度；对主热电偶施加多次刺激，使其经历多个热平衡状态，并在每个热平衡状态均获取第一温度、第二温度和第三温度；在每个热平衡状态下为主热电偶建立能量守恒方程，联立所有能量守恒方程组求解得到流体温度。相关的测温元件和测温装置为实现上述方法提供物质基础。采用上述技术方案，能够提高对稳态流体的测温精度，进一步地，还允许采用冷却液对主热电偶进行冷却，因此无需采用贵金属热电偶即可实现对高温流体或超高温流体温度的精确测量。

Description

一种测温方法、测温元件和测温装置
技术领域
本申请涉及流体温度测量领域，具体涉及一种测温方法、测温元件和测温装置。
背景技术
热电偶与待测流体(液体或气体)直接接触，测量流体温度。测量温度其实为热电偶两个导体的节点温度。对于对焊热电偶而言，节点为焊接面。在测量高于环境温度的流体时，热点偶测量温度通常会低于待测流体温度。在测量低于环境温度的流体情况下，则正好相反。测量温度与流体温度的差值主要与流体温度、组分、速度、周围环境的材料、周围环境的温度、热电偶尺寸、材料、放置位置和放置角度均相关。待测流体温度与环境温度的温差增大，热电偶尺寸增大，测量温度和流体温度的差值也越大。
发明内容
本申请的目的在于克服背景技术中存在的上述缺陷或问题，提供一种测温方法、测温元件和测温装置，其中，测温方法能够提高对稳态流体的测温精度，而测温元件和测温装置则为实现上述测温方法提供物质基础。
为达成上述目的，采用如下技术方案：
第一技术方案涉及一种测温方法，用于测量流体的温度，所述流体在温度测量期间保持稳态，所述测温方法包括：将第一热电偶的第一测量端置入所述流体中并通过与第一热电偶电连接的第一仪表获取第一温度，所述第一热电偶设有彼此连接的第一导体和第二导体，所述第一测量端位于第一导体和第二导体的连接处；采用第二热电偶和与其电连接的第二仪表获取所述第一导体上第一位置处的第二温度；采用第三热电偶和与其电连接的第三仪表获取所述第二导体上第二位置处的第三温度；将第一测量端与第一位置之间的第一导体沿其延伸方向分为至少两个第一微元，将第一测量端与第二位置之间的第二导体沿其延伸方向分为至少两个第二微元；在温度测量期间内使第一热电偶经历若干次不同的热平衡状态并在每次达到热平衡状态时均获取第一温度、第二温度和第三温度；在每次热平衡状态下为第一测量端所在截面、每个第一微元和每个第二微元建立能量守恒方程；联立各次热平衡状态下的所有能量守恒方程形成能量守恒方程组，代入各次热平衡状态下的第一温度、第二温度和第三温度，求解得到流体温度；在温度测量期间内经历的热平衡状态的数量应大于或等于能量守恒方程组的未知变量的数量；所述未知变量应为变量集中的变量，所述变量集中的变量包括流体温度、第一导体的出射辐射发射率、第二导体的出射辐射发射率、第一导体吸收入射辐射的热流密度、第二导体吸收入射辐射的热流密度、第一导体与流体的对流换热系数和第二导体与流体的对流换热系数。
第二技术方案基于第一技术方案，其中，在温度测量期间内刺激第一热电偶改变热平衡状态的方法为第一刺激方法、第二刺激方法、第三刺激方法、第四刺激方法和第五刺激方法中的任一种或任一组合；所述第一刺激方法为对第一热电偶施加电流；所述第二刺激方法为改变通过第一热电偶的电流大小；所述第三刺激方法为用流动的冷却液冷却第一热电偶；所述第四刺激方法为改变用于冷却第一热电偶的流动的冷却液的初始温度；所述第五刺激方法为改变用于冷却第一热电偶的流动的冷却液的流速。
第三技术方案基于第一技术方案，其中，在第一导体横截面的直径与第二导体横截面的直径相等、每个第一微元长度均相等且每个第二微元长度均相等的条件下，第一测量端所在截面的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000021
其中，i＝1且j＝1；
第一微元的能量守恒方程至少包括邻接第一测量端的第一微元的能量守恒方程和邻接第一位置的第一微元的能量守恒方程，在第一微元的数量为三个以上时，还包括其他第一微元的能量守恒方程；
所述邻接第一测量端的第一微元的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000022
其中，i＝1；
所述邻接第一位置的第一微元的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000023
其中，i＝m；
所述其他第一微元的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000031
其中，i＝2,3,…,m-1；
第二微元的能量守恒方程至少包括邻接第一测量端的第二微元的能量守恒方程和邻接第二位置的第二微元的能量守恒方程，在第二微元的数量为三个以上时，还包括其他第二微元的能量守恒方程；
所述邻接第一测量端的第二微元的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000032
其中，j＝1；
所述邻接第二位置的第二微元的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000033
其中，j＝n；
所述其他第二微元的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000034
其中，j＝2,3,…,n-1；
上述各能量守恒方程式中：i为第一微元的序号，其取值范围为从1至m的自然数，越靠近第一测量端i值越小，其中，m为第一微元的数量值；j为第二微元的序号，其取值范围为从1至n的自然数，越靠近第一测量端j值越小，其中，n为第二微元的数量值；p为热平衡状态的序号，其取值范围为从1至q的自然数，其中，q为热平衡状态的数量值；d为第一导体横截面的直径；θx为每个第一微元的长度，其值等于第一测量端与第一位置之间的第一导体的长度LA除以第一微元的数量值m；θy为每个第二微元的长度，其值等于第一测量端与第二位置之间的第二导体的长度LB除以第二微元的数量值n；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；Tf为流体温度；εA为第一导体的出射辐射发射率；εB为第二导体的出射辐射发射率；αAG为第一导体吸收入射辐射的热流密度；αBG为第二导体吸收入射辐射的热流密度；hA为第一导体与流体的对流换热系数；hB为第二导体与流体的对流换热系数；Twp为第p次热平衡状态时获取的第一温度；TAp为第p次热平衡状态时获取的第二温度；TBp为第p次热平衡状态时获取的第三温度；TAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的温度；TAp(i-1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一位置的第一微元的温度；TAp(i+1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一测量端的第一微元的温度；TBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的温度；TBp(j-1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第二位置的第二微元的温度；TBp(j+1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第一测量端的第二微元的温度；KAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i)的函数且函数关系已知；KAp(i-1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一位置的第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i-1)的函数且函数关系已知；KAp(i+1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一测量端的第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i+1)的函数且函数关系已知；KBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j)的函数且函数关系已知；KBp(j-1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第二位置的第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j-1)的函数且函数关系已知；KBp(j+1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第一测量端的第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j+1)的函数且函数关系已知；Ip为第p次热平衡状态时通过第一热电偶的电流值；RAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的电阻，其由第一导体的材料决定并是TAp(i)的函数且函数关系已知；RBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的电阻，其由第二导体的材料决定并是TBp(j)的函数且函数关系已知。
第四技术方案涉及一种测温元件，其包括：第一热电偶，其设有彼此固接的第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体的连接处形成第一测量端；第二热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第二测量端，所述第二测量端位于第一导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；第三热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第三测量端，所述第三测量端位于第二导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；和保护套，其与所述第一热电偶绝缘地固定连接并套设于所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶外，所述第一测量端伸出所述保护套的第一端，所述保护套包括壳体，所述壳体设有冷却液流道。
第五技术方案基于第四技术方案，其中，所述保护套还包括填充于所述壳体内的填充体，所述填充体绝缘地包覆所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶。
第六技术方案基于第五技术方案，其中，所述填充体的导热系数不低于20W/(m·K)。
第七技术方案基于第四技术方案，其中，所述第二测量端位于所述第一导体与所述保护套的第一端相交的第一位置或位于与所述第一位置距离不超过1mm的位置；所述第三测量端位于所述第二导体与所述保护套的第一端相交的第二位置或位于与所述第二位置距离不超过1mm的位置。
第八技术方案涉及一种测温装置，其包括：测温元件，其如第四至第六技术方案中任一项所述；第一仪表，其与第一热电偶电连接，用于将第一热电偶的电动势转换为第一测量温度；第二仪表，其与第二热电偶电连接，用于将第二热电偶的电动势转换为第二测量温度；和第三仪表，其与第三热电偶电连接，用于将第三热电偶的电动势转换为第三测量温度。
第九技术方案基于第八技术方案，其中，所述第二测量端位于所述第一导体与所述保护套的第一端相交的第一位置或位于与所述第一位置距离不超过1mm的位置；所述第三测量端位于所述第二导体与所述保护套的第一端相交的第二位置或位于与所述第二位置距离不超过1mm的位置。
第十技术方案基于第九技术方案，其还包括流速调节器，所述流速调节器与所述冷却液流道流体连通，用于调节所述冷却液流道内冷却液的流速。
第十一技术方案基于第十技术方案，其还包括控制与运算器，其与所述第一仪表、第二仪表、第三仪表和流速调节器电连接或信号连接，并根据第一至第三技术方案中任一项所述的测温方法控制所述流速调节器调整冷却液流速以刺激第一热电偶改变热平衡状态，其还控制所述第一仪表、第二仪表和第三仪表在热平衡状态下分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度；其还根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别对应地获取第一温度、第二温度和第三温度以及对所有能量守恒方程求解得到流体温度。
第十二技术方案基于第九技术方案，其还包括电流调节器，所述电流调节器与第一热电偶的冷端电连接，用于启闭对第一热电偶供电及改变通过第一热电偶的电流大小。
第十三技术方案基于第十二技术方案，其还包括控制与运算器，其分别与所述第一仪表、第二仪表、第三仪表和电流调节器电连接或信号连接，其根据第一至第三技术方案中任一项所述的测温方法控制所述电流调节器启闭对第一热电偶供电或改变通过第一热电偶的电流大小以刺激第一热电偶改变热平衡状态，其还控制所述第一仪表、第二仪表和第三仪表在热平衡状态下分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度；其还根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别对应地获取第一温度、第二温度和第三温度以及对所有能量守恒方程求解得到流体温度。
第十四技术方案涉及一种测温装置，其包括：第一热电偶，其设有彼此固接的第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体的连接处形成第一测量端；第一仪表，其与第一热电偶电连接，用于将第一热电偶的电动势转换为第一测量温度；第二热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第二测量端，所述第二测量端位于第一导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；第二仪表，其与第二热电偶电连接，用于将第二热电偶的电动势转换为第二测量温度；第三热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第三测量端，所述第三测量端位于第二导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；第三仪表，其与第三热电偶电连接，用于将第三热电偶的电动势转换为第三测量温度；和电流调节器，其与第一热电偶的冷端电连接，用于启闭对第一热电偶供电及改变通过第一热电偶的电流大小。
第十五技术方案基于第十四技术方案，其还包括保护套，所述保护套与所述第一热电偶绝缘地固定连接并套设于所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶外，所述第一测量端伸出所述保护套的第一端。
第十六技术方案基于第十五技术方案，其中，所述保护套包括壳体和填充于所述壳体内的填充体，所述填充体绝缘地包覆所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶。
第十七技术方案基于第十五技术方案，其中，所述第二测量端位于所述第一导体与所述保护套的第一端相交的第一位置或位于与所述第一位置距离不超过1mm的位置；所述第三测量端位于所述第二导体与所述保护套的第一端相交的第二位置或位于与所述第二位置距离不超过1mm的位置。
第十八技术方案基于第十七技术方案，其还包括控制与运算器，其分别与所述第一仪表、第二仪表、第三仪表和电流调节器电连接或信号连接，其根据第一至第三技术方案中任一项所述的测温方法控制所述电流调节器启闭对第一热电偶供电或改变通过第一热电偶的电流大小以刺激第一热电偶改变热平衡状态，其还控制所述第一仪表、第二仪表和第三仪表在热平衡状态下分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度；其还根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别对应地获取第一温度、第二温度和第三温度以及对所有能量守恒方程求解得到流体温度。
相对于现有技术，上述方案具有如下有益效果：
热电偶的测量温度由两个导体的接触面附近的热电偶线的能量守恒决定，在热平衡状态下，两根热电偶线热传导给节点所在截面的传热速率的和为0。如果对两根热电偶线分别进行能量平衡分析，每根热电偶线的能量平衡都包括线内部的导热，线给节点的导热，线与流体的对流换热，线与环境的辐射换热，线与待测流体的辐射换热。
第一技术方案的第一个技术效果在于，采用第二热电偶测量第一热电偶的第一导体的第一位置处的第二温度，采用第三热电偶测量第一热电偶的第二导体的第二位置的第三温度，因此，测量数据包含了第一温度、第二温度和第三温度三个数据，为建立能量守恒方程提供基础，相较于仅通过第一热电偶测量的流体温度提高了测量精度。
第一技术方案的第二个技术效果在于，可以根据变量集中的未知量数量，决定温度测量期间经历的热平衡状态数量，使热平衡状态数量既达到联立方程求解的要求，又能够根据已知量减少方程量，从而减少计算时间。事实上，在变量集的七个变量中，流体温度是绝对未知量，而第一导体吸收入射辐射的热流密度、第二导体吸收入射辐射的热流密度、第一导体与流体的对流换热系数和第二导体与流体的对流换热系数均与流体有关，因此是相对未知量，其中，第一导体与流体的对流换热系数和第二导体与流体的对流换热系数在达到测量精度要求以及测温装置的设置达到一定要求的情况下可以近似为相等，这样就可以减少未知变量的数量，从而减少计算时间；另外，第一导体的出射辐射发射率和第二导体出射辐射发射率在达到测量精度要求的情况下也可以近似为相等，同理，第一导体吸收入射辐射的热流密度和第二导体吸收入射辐射的热流密度在达到测量精度要求的情况下也可以近似为相等，因此，一般地，可以将变量集中的未知量减少为四个，即流体温度、第一导体(第二导体)的出射辐射发射率、第一导体(第二导体)吸收入射辐射的热流密度和第一导体(第二导体)与流体的对流换热系数。这四个未知量中，第一导体(第二导体)的出射辐射发射率与第一导体和第二导体的材料特性和表面特性有关，也可以是已知的，因此，变量集中的未知量可以进一步减少为三个，即流体温度、第一导体(第二导体)吸收入射辐射的热流密度和第一导体(第二导体)与流体的对流换热系数，其中，第一导体(第二导体)吸收入射辐射的热流密度在某些情况下也可能是已知的。因此，一般情况下，温度测量期间经历的热平衡状态数量至少为两个。
第一技术方案的第三个技术效果在于，通过将第一测量端与第一位置之间的第一导体沿其延伸方向分为若干个第一微元，将第一测量端与第二位置之间的第二导体沿其延伸方向分为若干第二微元，并为第一测量端所在截面、每个第一微元和每个第二微元建立能量守恒方程，可以更为精确地求得流体温度。随着第一微元的数量和第二微元的数量增长，计算得到的流体温度也就更精确。当然，计算所需要的方程量和计算时间也随之提高。
综合以上三点技术效果，第一技术方案相较于单一地通过第一热电偶获取测量温度，具有更高的精确度。同时，该方法的适用范围广，可以适用于各种类型的热电偶。当然，本申请中的各技术方案也存在局限性。由于需要在测量期间内至少一次改变热平衡状态，因此本申请的各技术方案主要用于对稳态流体的测量，即在测量期间内，流体的流动特性不变，流体的温度不变。
第二技术方案的技术贡献在于，给出了切实可行的刺激第一热电偶改变热平衡状态的方法，其中，第一刺激方法和第二刺激方法简便易行，刺激反应快，达到热平衡状态的时间短。而第三刺激方法、第四刺激方法和第五刺激方法能够为第一热电偶提供冷却，特别是在测量非常高的流体温度时，能够降低第一热电偶的热端温度，从而得以不必采用贵金属热电偶，而仅采用较为便宜的热电偶也能测量非常高的流体温度，这就使测温装置的成本得以降低。
第三技术方案给出了第一测量端所在截面、每个第一微元和每个第二微元适用的能量守恒方程。由于将线内部的导热，线与节点的导热，线与流体的对流换热，线与环境的辐射换热，线与待测流体的辐射换热均考虑在内，因此可以保证计算得到的流体温度的精确度。针对第三技术方案可知，在LA、LB、m、n、q、d、Twp、TAp、TBp、Ip已知，且KAp(i)、RAp(i)与TAp(i)相关性已知、KBp(j)、RBp(j)与TBp(j)相关性已知的情况下，对于每次热平衡状态，共有n+m+1个方程，q次热平衡状态共有q·(n+m+1)个方程，共有小于或等于q个待求变量以及q·m个TAp(i)、q·n个TBp(j)也为待求变量，因此方程量大于或等于待求变量的和，所有待求变量均可得解。另外，应当看到，第三技术方案所限定的能量守恒方程并非是第一技术方案所限定的能量守恒方程的唯一表达形式，第三技术方案所限定的能量守恒方程属于一阶离散的能量守恒方程的一种表达形式。除第三技术方案所限定的能量守恒方程外，本领域技术人员还能够使用二阶离散或更高阶离散的能量守恒方程，也能达到第一技术方案的发明目的。即使是一阶离散的能量守恒方程中，为了获得更好的计算精度，也可以对第三技术方案所限定的能量守恒方程进行改进，例如，在第三技术方案限定的能量守恒方程中，第i个第一微元的能量守恒方程(i＝2,3,…,m-1)既可以是第三技术方案所限定的：
Figure GDA0003584376960000081
也可以是：
Figure GDA0003584376960000082
其中，KAp(i-1/2)是TAp(i-1/2)的函数且函数关系已知，TAp(i-1/2)是第i个微元与第i-1个微元之间界面的温度，可近似为TAp(i-1)/2+TAp(i)/2；KAp(i+1/2)是TAp(i+1/2)的函数且函数关系已知，TAp(i+1/2)是第i个微元与第i+1个微元之间界面的温度，可近似为TAp(i)/2+TAp(i+1)/2。
第四技术方案公开的测温元件在与相关的仪表结合后，能够实现本申请公开的测温方法。测温元件在壳体内设置冷却液流道，不仅可以为实施第三刺激方法、第四刺激方法和第五刺激提供物质基础，还能够为第一热电偶提供冷却，特别是在测量非常高的流体温度时，能够降低第一热电偶的热端温度，从而得以不必采用贵金属热电偶，而仅采用较为便宜的热电偶也能测量流体温度，这就使测温装置的成本得以降低。
第五和第十六技术方案通过设置填充体，能够更好地保护第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶，提高测温装置寿命。
第六技术方案将填充体的导热系数设置为不低于20W/(m·K)，能够有效地使TAp和TBp更为接近，有利于将hA和hB近似为相等。
第七、第九和第十七技术方案中，将第二测量端设置为位于第一位置，将第三测量端设置为位于第二位置，能够直接通过采集第二测量温度和第三测量温度获取第二温度和第三温度；而将第二测量端设置为距离第一位置1mm以内，将第三测量端设置为距离第二位置1mm以内，也能够在精度达到要求的情况下直接将第二测量温度和第三测量温度视为第二温度和第三温度(当然距离越近，误差越小)或者通过线性推算，结合第一测量温度获取第二温度和第三温度。另外，如果将第二测量端和第三测量端置于保护套内，还能够使第二测量端和第三测量端最大限度地免受流体对流换热的影响，使第二测量端所在截面和第三测量端所在截面的温度分布更均匀，测量更准确。
第八技术方案通过第一仪表、第二仪表和第三仪表分别获取第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度，能够为实现本申请公开的测温方法提供物质基础。
第十技术方案通过设置流速调节器，可以为实施第五刺激方法提供物质基础。
第十一、第十三和第十八技术方案通过设置控制与运算器，有利于实现自动控制实施刺激，并在刺激完后通过第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度的变化趋势确定是否达到热平衡状态，或者也可以在经历一定的期间后判断达到热平衡状态，并在达到热平衡状态后控制第一仪表、第二仪表和第三仪表测温以分别获取第一温度、第二温度和第三温度，并自动通过对能量守恒联立方程组的运算得到流体温度。
第十二和第十四技术方案能够通过电流调节器刺激第一热电偶改变热平衡状态，因此为实施第一刺激方法和第二刺激方法提供物质基础，且具有简便易行、刺激反应快、达到热平衡状态的时间短的技术效果。
第十五技术方案通过设置保护套，使第一、第二和第三热电偶更不易损坏，寿命更长。
附图说明
为了更清楚地说明实施例的技术方案，下面简要介绍所需要使用的附图：
图1为实施例一中的测温元件示意图；
图2为实施例一中的测温装置示意图；
图3为实施例二中的测温装置示意图；
图4为图3的A-A向剖视图；
图5为实施例三中的测温装置示意图；
图6为实施例四中的测温装置示意图；
图7为实施例五中的测温装置示意图；
图8为实施例六中的测温装置示意图；
图9为将实施例一中的第一热电偶展开后第一微元和第二微元示意图；
主要附图标记说明：
测温元件10；第一热电偶1；第一导体11；第二导体12；第一测量端13；第一微元14；第二微元15；第二热电偶2；第三导体21；第四导体22；第二测量端23；第三热电偶3；第五导体31；第六导体32；第三测量端33；保护套4；壳体41；隔壁42；冷却液流道43；冷却液进口431；冷却液出口432；填充体44；第一仪表20；第二仪表30；第三仪表40；流速调节器50；控制与运算器60；电流调节器70；测温装置100。
具体实施方式
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“固接”或“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意为“包含但不限于”。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“稳态”是指在温度测量期间内，流体中与温度有关的参数和与流动有关的参数不随时间而变化。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“获取”包括从仪表的输出值直接得到也包括从仪表的输出值通过预定的方式推算得到。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“未知变量”意指需要求解的变量，如果两个变量间存在已知的相关性或者基于计算量的考虑人为地近似为相等或相关，则即使两个变量均是未知的，也应视为只有一个需要求解的变量，即只有一个未知变量。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“第一位置”并非是指某一特定的位置，而是指第一导体上靠近第一测量端的任意特定的位置。一般地，第二热电偶的第二测量端所在的位置即为第一位置。在存在保护套的情况下，第一导体与保护套的第一端相交的位置可以作为第一位置，但即使在该情况下，除非技术方案明确限定，第一位置也可以是第一导体上靠近第一测量端的任意特定的位置。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“第二位置”并非是指某一特定的位置，而是指第二导体上靠近第一测量端的任意特定的位置。一般地，第三热电偶的第三测量端所在的位置即为第二位置。在存在保护套的情况下，第二导体与保护套的第一端相交的位置可以作为第二位置，但即使在该情况下，除非技术方案明确限定，第二位置也可以是第二导体上靠近第一测量端的任意特定的位置。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“第一端”是指保护套两端中更靠近第一热电偶的第一测量端的一端。
权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“初始温度”是指进入冷却液流道的冷却液的温度。
下面将结合附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参见图1，图1示出了实施例一中的测温元件10。如图1所示，在实施例一中测温元件10包括第一热电偶1、第二热电偶2、第三热电偶3和保护套4。
第一热电偶1设有彼此固接的第一导体11和第二导体12，第一导体11和第二导体12的连接处形成第一测量端13。
第二热电偶2设有彼此固接的第三导体21和第四导体22，第三导体21和第四导体22的连接处形成第二测量端23。
第三热电偶3设有彼此固接的第五导体31和第六导体32，第五导体31和第六导体32的连接处形成第三测量端33。
保护套4包括壳体41，壳体41设有外壳和隔壁42，外壳和隔壁42共同形成冷却液流道43，冷却液流道43的两端分别形成冷却液进口431和冷却液出口432。冷却液流道43用于供冷却液在其内稳定地流动。
保护套4与第一热电偶1绝缘地固定连接，并套设于第一热电偶1、第二热电偶2和第三热电偶3外。第一热电偶1的第一测量端13伸出保护套4的第一端，这里的第一端是指保护套4两端中更靠近第一热电偶1的第一测量端13的一端。第一导体11与保护套4的第一端相交于第一位置，第二导体12与保护套4的第一端相交于第二位置。第二热电偶2的第二测量端23位于第一导体11上的第一位置处。第三热电偶3的第三测量端33位于第二导体12上的第二位置处。具体地，第三导体21和第四导体22的对接处嵌设于第一导体11的第一位置上使第二热电偶2相对第一热电偶1固定，第五导体31和第六导体32的对接处嵌设于第二导体12的第二位置上使第三热电偶3相对第一热电偶1固定。由此可知，本实施例中，第二测量端23和第三测量端33设置于保护套4的第一端的端面上。
本实施例中，冷却液与第一热电偶1、第二热电偶2和第三热电偶3都绝缘。冷却液从冷却液进口431进入冷却液流道43，先顺着第一导体11和第二热电偶2流动至保护套4的第一端，再绕过隔壁42后顺着第二导体12和第三热电偶3流动至冷却液出口432。
图2示出了实施例一中的测温装置100。如图2所示，本实施例中，测温装置100除上述测温元件10外，还包括第一仪表20、第二仪表30和第三仪表40。第一仪表20与第一热电偶1的冷端电连接，用于将第一热电偶1的电动势转换为第一测量温度。第二仪表30与第二热电偶2的冷端电连接，用于将第二热电偶2的电动势转换为第二测量温度，第三仪表40与第三热电偶3的冷端电连接，用于将第三热电偶3的电动势转换为第三测量温度。
本实施例中的测温装置100用于测量在温度测量期间保持稳态的流体的温度。这里的稳态是指在测量期间内，流体中与温度有关的参数和与流动有关的参数不随时间而变化。
使用本实施例中的测温装置100测量流体温度的方法包括：
将第一热电偶1的第一测量端13置入流体中。
在变量集中确定未知变量的数量，这里的未知变量是指需要求解的变量，如果两个变量间存在已知的相关性或者基于计算量的考虑人为地近似为相等或相关，则即使两个变量均是未知的，也应视为只有一个需要求解的变量，即只有一个未知变量。
变量集中的变量包括流体温度Tf、第一导体11的出射辐射发射率εA、第二导体12的出射辐射发射率εB、第一导体11吸收入射辐射的热流密度αAG、第二导体12吸收入射辐射的热流密度αBG、第一导体11与流体的对流换热系数hA和第二导体12与流体的对流换热系数hB。
在温度测量期间内使第一热电偶1经历若干次不同的热平衡状态。并根据变量集中未知变量的数量决定在温度测量期间内经历热平衡状态的数量。在温度测量期间内经历热平衡状态的数量应大于或等于变量集中未知变量的数量，一般地，为了尽可能减少计算量，可以让经历热平衡状态的数量等于未知变量的数量。本实施例中，刺激第一热电偶1改变热平衡状态的方法可以是用流动的冷却液冷却第一热电偶1，也可以是改变冷却液的初始温度或者改变冷却液的流速。这里的初始温度是指进入冷却液流道43的冷却液的温度。在改变冷却液的初始温度时，可以将冷却液流道43接入不同初始温度的冷却液，也可以在冷却液进口431前设置一温度调节器，用于调节冷却液初始温度；在改变冷却液的流速时，可以在冷却液进口431前或冷却液出口432后设置手动的流量阀，通过手动操作调整冷却液流速。
在每次达到热平衡状态时，均应分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度，并根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度获取第一测量端13的第一温度、第一导体11上第一位置的第二温度和第二导体12上第二位置的第三温度。在本实施例中，第一测量温度即为第一温度，第二测量温度即为第二温度，第三测量温度即为第三温度。
再如图9所示，将第一测量端13与第一位置之间的第一导体11沿其延伸方向分为至少两个第一微元14，将第一测量端13与第二位置之间的第二导体12沿其延伸方向分为至少两个第二微元15，并在每次热平衡状态下为第一测量端13所在截面、每个第一微元14和每个第二微元15建立能量守恒方程，联立各次热平衡状态下的所有能量守恒方程，即可求解得到流体温度。
本实施例中，第一导体11横截面的直径与第二导体12横截面的直径相等，设置每个第一微元14长度均相等且每个第二微元15长度均相等。在此条件下：
第一测量端13所在截面的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000131
其中，i＝1且j＝1；
第一微元14的能量守恒方程包括邻接第一测量端13的第一微元14的能量守恒方程、邻接第一位置的第一微元14的能量守恒方程和其他第一微元14的能量守恒方程；
邻接第一测量端13的第一微元14的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000132
其中，i＝1；
邻接第一位置的第一微元14的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000133
其中，i＝m；
其他第一微元14的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000134
其中，i＝2,3,…,m-1；
第二微元15的能量守恒方程包括邻接第一测量端13的第二微元15的能量守恒方程、邻接第二位置的第二微元15的能量守恒方程和其他第二微元15的能量守恒方程；
邻接第一测量端13的第二微元15的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000141
其中，j＝1；
邻接第二位置的第二微元15的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000142
其中，j＝n；
其他第二微元15的能量守恒方程为：
Figure GDA0003584376960000143
其中，j＝2,3,…,n-1；
上述各能量守恒方程式中：i为第一微元的序号，其取值范围为从1至m的自然数，越靠近第一测量端i值越小，其中，m为第一微元的数量值；j为第二微元的序号，其取值范围为从1至n的自然数，越靠近第一测量端j值越小，其中，n为第二微元的数量值；p为热平衡状态的序号，其取值范围为从1至q的自然数，其中，q为热平衡状态的数量值；d为第一导体横截面的直径；Δx为每个第一微元的长度，其值等于第一测量端与第一位置之间的第一导体的长度LA除以第一微元的数量值m；Δy为每个第二微元的长度，其值等于第一测量端与第二位置之间的第二导体的长度LB除以第二微元的数量值n；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；Tf为流体温度；εA为第一导体的出射辐射发射率；εB为第二导体的出射辐射发射率；αAG为第一导体吸收入射辐射的热流密度；αBG为第二导体吸收入射辐射的热流密度；hA为第一导体与流体的对流换热系数；hB为第二导体与流体的对流换热系数；Twp为第p次热平衡状态时获取的第一温度；TAp为第p次热平衡状态时获取的第二温度；TBp为第p次热平衡状态时获取的第三温度；TAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的温度；TAp(i-1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一位置的第一微元的温度；TAp(i+1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一测量端的第一微元的温度；TBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的温度；TBp(j-1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第二位置的第二微元的温度；TBp(j+1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第一测量端的第二微元的温度；KAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i)的函数且函数关系已知；KAp(i-1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一位置的第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i-1)的函数且函数关系已知；KAp(i+1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一测量端的第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i+1)的函数且函数关系已知；KBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j)的函数且函数关系已知；KBp(j-1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第二位置的第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j-1)的函数且函数关系已知；KBp(j+1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第一测量端的第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j+1)的函数且函数关系已知；Ip为第p次热平衡状态时通过第一热电偶的电流值；RAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的电阻，其由第一导体的材料决定并是TAp(i)的函数且函数关系已知；RBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的电阻，其由第二导体的材料决定并是TBp(j)的函数且函数关系已知。
应当看到，本实施例中的能量守恒方程并非是第一技术方案所限定的能量守恒方程的唯一表达形式，本实施例中的能量守恒方程属于一阶离散的能量守恒方程的一种表达形式。除本实施例中的能量守恒方程外，本领域技术人员还能够使用二阶离散或更高阶离散的能量守恒方程，也能达到本申请的发明目的。即使是一阶离散的能量守恒方程中，为了获得更好的计算精度，也可以对本实施例中的能量守恒方程进行改进，例如，在本实施例中的能量守恒方程中，第i个第一微元的能量守恒方程(i＝2,3,…,m-1)既可以是本实施例中的：
Figure GDA0003584376960000151
也可以是：
Figure GDA0003584376960000152
其中，KAp(i-1/2)是TAp(i-1/2)的函数且函数关系已知，TAp(i-1/2)是第i个微元与第i-1个微元之间界面的温度，可近似为TAp(i-1)/2+TAp(i)/2；KAp(i+1/2)是TAp(i+1/2)的函数且函数关系已知，TAp(i+1/2)是第i个微元与第i+1个微元之间界面的温度，可近似为TAp(i)/2+TAp(i+1)/2。
对本实施例中的测温装置100进行三维流固耦合仿真计算以验证本实施例的测温精度。仿真计算的条件为：
流体为温度2400K、流速6m/s的氮气。环境温度为300K。
第一热电偶1、第二热电偶2和第三热电偶3均为K型热电偶，第一导体11的横截面的直径与第二导体12的横截面的直径d均为0.4mm。沿其延伸方向，第一导体11伸出保护套4的长度LA和第二导体12伸出保护套4的长度LB均为4.6mm。
本三维算例中，冷却液的初始温度为300K。第一导体11的出射辐射发射率εA和第二导体12的出射辐射发射率εB设定为0.5。单位截面的入射辐射G已知，为300K的黑体辐射。第一导体11的吸收系数αA和第二导体12的吸收系数αB均等于第一导体11的出射辐射发射率εA。
为了测算上述测温方法测量精度的实际效果，在一维能量守恒方程的求解过程中，第一微元14的数量m和第二微元15的数量n设定为100。第一导体11与流体的对流换热系数hA和第二导体12与流体的对流换热系数hB近似为相等。我们将流体温度Tf、第一导体11的出射辐射发射率εA均视为待求变量。因此，未知变量数量为三个，分别是流体温度Tf、第一导体11的出射辐射发射率εA和第一导体11与流体的对流换热系数hA。
由于未知变量数量为三个，因此，需要至少经历三次热平衡状态。本算例中，通过改变冷却液流速来刺激第一热电偶1经历三次热平衡状态。表1示出了三次热平衡中第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度的数据。
表1：实施例一的算例中三次热平衡的第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度
Figure GDA0003584376960000161
由于表1中的第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别等于第一温度T1p、第二温度TAp和第三温度TBp,再将各已知条件代入上述的能量守恒方程组，最后求得流体温度Tf为2433.4K,高于预知流体温度2400K，误差率为1.4％。求得的第一导体11的出射辐射发射率εA为0.48，低于预知发射率0.5，误差率为4％。
作为对比算例，一个横截面直径相同的普通K型热电偶在无冷却的情况下通过三维仿真计算，第一仪表20得到的测量温度为1787.13K，误差率达到26.5％。
由此可知，测量数据由于包含了第一温度、第二温度和第三温度三个数据，相较于仅通过第一热电偶1的第一温度直接测量流体温度提高了测量精度。
由于可以根据变量集中的未知量数量，决定温度测量期间经历的热平衡状态数量，使热平衡状态数量既达到联立方程求解的要求，又能够根据已知量减少方程量，从而减少计算时间。在本算例中，即使引入了很多近似关系，将未知变量降为三个，仍能得到很高的测量精度。本算例中，将第一微元14数量和第二微元15数量均定为100个，能够有效地降低误差率，更为精确地测量流体温度。这是因为随着第一微元14的数量和第二微元15的数量增长，计算得到的流体温度也就更精确。当然，计算所需要的方程量和计算时间也随之提高。综上所述，从本算例可知，采用本实施例中的测温方法，相较于单一地通过第一热电偶1获取测量温度具有更高的精确度。同时，该方法的适用范围广，可以适用于各种类型的热电偶。
实施例一中的测温元件10和测温装置100由于采用了独特的测温方法，因此可以通过冷却液对第一热电偶1进行冷却，使第一热电偶1的第一测量端13的温度降低至少302.79K(1787.13K-1484.34K＝302.79K)，通过加大冷却液流量，还能进一步降低第一测量端13的温度。具体地，本算例中，第一热电偶测量的最高温度1484.34K低于K型热电偶材料的熔化温度，因此可以用实施例一中的测温元件、测温装置100和测温方法应用在本算例所规定的测量环境中。而对比算例中测得的1787.13K已经超过了K型热电偶材料的熔化温度，如果在真实的测量环境下，对比算例中的K型热电偶已经熔化了，必须换用贵金属热电偶才能测量。因此，在测量非常高的流体温度时，实施例一的技术方案能够降低第一热电偶1的热端温度，从而得以不必采用贵金属热电偶，而仅采用较为便宜的热电偶也能测量非常高的流体温度，这就使测温装置100的成本得以降低。
实施例二
实施例二中的测温装置100如图3和图4所示。实施例二中的测温装置100与实施例一中的测温装置100相同的部分不再赘述，重点介绍不同的部分。
在实施例二中，测温元件10中的保护套4如图3和图4所示包括壳体41和填充体44。其中，壳体41包括外壳和内壳，内壳的长度大于外壳的长度，使保护套4的第一端形成于内壳的端面。内壳与外壳间设有隔壁42，从而形成冷却液流道43。填充体44填充于内壳中，并绝缘地包覆第一热电偶1、第二热电偶2和第三热电偶3，以对三个热电偶起到更好的保护作用，提高测温元件10和测温装置100的寿命。本实施例中，填充体44采用氧化镁，一般地，为了使填充体44具有较高的导热性能，填充体44的导热系数不低于20W/(m·K)。当填充体44有较高的导热性能时，能够有效地使TAp和TBp更为接近，有利于将hA和hB近似为相等。当然，如果hA和hB不需要近似为相等，填充体44则不需要较高的导热性能。
实施例二中的测温元件10与实施例一中的测温元件10的另一个不同是，在实施例二中，第二测量端23设置于填充体44内且贴近第一导体11与保护套4的第一端相交的第一位置，第二测量端23与第一位置的距离不超过1mm。同样，第三测量端33也设置于填充体44内且贴近第二导体12与保护套4的第一端相交的第二位置，第三测量端33与第二位置的距离也不超过1mm。这样设置的好处在于可以让第二测量端23和第三测量端33最大限度地避免流体对流换热的影响，使第二测量端23所在截面和第三测量端33所在截面的温度分布更均匀，测量更准确。当然，由于第二测量端23与第一位置存在距离，因此，第二测量温度并不直接是第一位置的第二温度，因此在精度达到要求的情况下，可以将第二测量温度近似为第二温度，也可以结合第一测量温度以及第二测量端23与第一位置的距离和第一位置与第一测量端13的距离通过线性推算获取第二温度。同理，第三测量温度也并不直接是第二位置的第三温度，因此在精度达到要求的情况下，可以将第三测量温度近似为第三温度，也可以结合第一测量温度以及第三测量端33与第二位置的距离和第二位置与第一测量端13的距离通过线性推算获取第三温度。
实施例二中的测温装置100相比实施例一中的测温装置100还包括流速调节器50和控制与运算器60。
流速调节器50与冷却液流道43流体连通，用于调节冷却液流道43内冷却液的流速。本实施例中，流速调节器50安装于冷却液进口431前，在其他实施例中，流速调节器50也可以安装于冷却液出口432后。本实施例中，流速调节器50采用电控流量阀，在其他实施例中，流速调节器50可以是任何本领域技术人员已知的适于调节流速的器件。
控制与运算器60分别与第一仪表20、第二仪表30、第三仪表40和流速调节器50电连接或信号连接。控制与运算器60控制流速调节器50调整冷却液流速以刺激第一热电偶1改变热平衡状态，控制与运算器60还控制第一仪表20、第二仪表30和第三仪表40在热平衡状态下分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度；控制与运算器60还根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别对应地获取第一温度、第二温度和第三温度以及对所有能量守恒方程求解得到流体温度。
采用流速调节器50，能够通过电控调节冷却液流速以刺激第一热电偶1使其改变热平衡状态。
采用控制与运算器60，能够通过自动控制对第一热电偶1进行刺激，并在刺激后由控制与运算器60经过一段期间，或者通过采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度确定是否进入热平衡状态，如进入热平衡状态，则再记录第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度并对应地获取第一温度、第二温度和第三温度。从第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度获取第一温度、第二温度和第三温度的方法在前面已经描述，在此不再赘述。采用控制与运算器60，还能自动实现对能量守恒联立方程组的求解，有利于快速得出流体温度。
实施例二中的测温装置100采用的测温方法与实施例一中的测温装置100采用的测温方法唯一的差别是采用控制与运算器60控制流速调节器50对第一热电偶1进行刺激，并由控制与运算器60根据期间或者根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度是否稳定下来确定是否进入热平衡状态，并在确定进入热平衡状态后记录第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度并对应地获取第一温度、第二温度和第三温度。
实施例三
实施例三中的测温装置100如图5所示。实施例三中的测温装置100与实施例二中的测温装置100相同的部分不再赘述，重点介绍不同的部分。
实施例三中的测温元件10与实施例二中的测温元件10并无不同。
实施例三中的测温装置100相比实施例二中的测温装置100，不再具有流速调节器50，而是还包括电流调节器70。电流调节器70与第一热电偶1的冷端电连接，用于启闭对第一热电偶1供电及改变通过第一热电偶1的电流大小。具体地说，电流调节器70的两极分别与第一导体11的冷端和第二导体12的冷端电连接，也即是与第一仪表20并联。本实施例中，电流调节器70采用可调压的稳压电源，但在其他实施例中，电流调节器70可以是任何具备实施电压或电流调节功能的本领域已知的器件。
与实施例二不同的是，实施例三中的控制与运算器60不再与流速调节器50电连接或信号连接，而是与电流调节器70电连接或信号连接，并控制电流调节器70启闭对第一热电偶1供电或改变通过第一热电偶1的电流大小以刺激第一热电偶1改变热平衡状态。
采用电流调节器70刺激第一热电偶1改变热平衡状态，具有简便易行、刺激反应快，达到热平衡时间短的优势。
实施例三中的测温装置100采用的测温方法与实施例二中的测温装置100采用的测温方法唯一的差别在于在每次控制与运算器60控制电流调节器70开启供电或改变通过第一热电偶1的电流大小起经历一定期间或通过观察第二测量温度与第三测量温度的变化趋势确定第一热电偶1达到热平衡后，控制与运算器60均会控制电流调节器70切断为第一热电偶1供电并控制第一仪表20、第二仪表30和第三仪表40得以分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度。当然，在其他实施例中，第一仪表20在选用既具有较高的电压量程，又具有较高的灵敏度的情况下，控制与运算器60不必在切断为第一热电偶1供电的情况下控制第一仪表20、第二仪表30和第三仪表40分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度以获取第一温度、第二温度和第三温度。
实施例四
实施例四中的测温装置100与实施例三唯一的不同在于增加了流速调节器50。且控制与运算器60还和流速调节器50电连接或信号连接，并控制流速调节器50调整冷却液流速以刺激第一热电偶1改变热平衡状态。实施例四可以通过控制流速调节器50调整冷却液流速以及通过控制电流调节器70开启供电或改变通过第一热电偶1的电流大小来刺激第一热电偶1改变热平衡状态。
实施例五
实施例五中的测温装置100与实施例三中的测温装置100唯一的不同在于测温元件10不再具有保护套4，因此也就不存在冷却液通道。相比实施例三，第二测量端23所在的位置即为第一位置，第三测量端33所在的位置即为第二位置。因此，第二测量温度即为第二温度，第三测量温度也即为第三温度。
在本实施例中，控制与运算器60同样通过控制电流调节器70启闭对第一热电偶1供电或改变通过第一热电偶1的电流大小来刺激第一热电偶1改变热平衡状态。
实施例六
实施例六中的测温装置100与实施例五中的测温装置100不同点在于其测温元件10具有保护套4。保护套4与第一热电偶1绝缘地固定连接，并套设于第一热电偶1、第二热电偶2和第三热电偶3外。第一测量端13伸出保护套4的第一端。保护套4包括壳体41和填充于壳体41内的填充体44。填充体44包覆第一热电偶1、第二热电偶2和第三热电偶3。而第二测量端23和第三测量端33均位于保护套4的第一端的端面上。相比于实施例五，由于增加了保护套4，以及在壳体41内填充有填充体44，因此能够更好地保护第一热电偶1、第二热电偶2和第三热电偶3，提高了测温装置100寿命。
实施例二至实施例六除刺激第一热电偶1改变热平衡状态的方法各有不同外，测温方法的其他步骤和效果没有本质不同。因此不再赘述。
从以上六个实施例可知，采用实施例的技术方案能够提高对稳态流体的测温精度，进一步地，还允许采用冷却液对主热电偶进行冷却，因此无需采用贵金属热电偶即可实现对高温流体或超高温流体温度的精确测量。
上述说明书和实施例的描述，用于解释本申请的保护范围，但并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (18)

1.一种测温方法，用于测量流体的温度，所述流体在温度测量期间保持稳态，其特征是，所述测温方法包括：
将第一热电偶的第一测量端置入所述流体中并通过与第一热电偶电连接的第一仪表获取第一温度，所述第一热电偶设有彼此连接的第一导体和第二导体，所述第一测量端位于第一导体和第二导体的连接处；
采用第二热电偶和与其电连接的第二仪表获取所述第一导体上第一位置处的第二温度；
采用第三热电偶和与其电连接的第三仪表获取所述第二导体上第二位置处的第三温度；
将第一测量端与第一位置之间的第一导体沿其延伸方向分为至少两个第一微元，将第一测量端与第二位置之间的第二导体沿其延伸方向分为至少两个第二微元；
在温度测量期间内使第一热电偶经历若干次不同的热平衡状态并在每次达到热平衡状态时均获取第一温度、第二温度和第三温度；
在每次热平衡状态下为第一测量端所在截面、每个第一微元和每个第二微元建立能量守恒方程；联立各次热平衡状态下的所有能量守恒方程形成能量守恒方程组，代入各次热平衡状态下的第一温度、第二温度和第三温度，求解得到流体温度；
在温度测量期间内经历的热平衡状态的数量应大于或等于能量守恒方程组的未知变量的数量；所述未知变量应为变量集中的变量，所述变量集中的变量包括流体温度、第一导体的出射辐射发射率、第二导体的出射辐射发射率、第一导体吸收入射辐射的热流密度、第二导体吸收入射辐射的热流密度、第一导体与流体的对流换热系数和第二导体与流体的对流换热系数。
2.如权利要求1所述的一种测温方法，其特征是，在温度测量期间内刺激第一热电偶改变热平衡状态的方法为第一刺激方法、第二刺激方法、第三刺激方法、第四刺激方法和第五刺激方法中的任一种或任一组合；所述第一刺激方法为对第一热电偶施加电流；所述第二刺激方法为改变通过第一热电偶的电流大小；所述第三刺激方法为用流动的冷却液冷却第一热电偶；所述第四刺激方法为改变用于冷却第一热电偶的流动的冷却液的初始温度；所述第五刺激方法为改变用于冷却第一热电偶的流动的冷却液的流速。
3.如权利要求1所述的一种测温方法，其特征是：在第一导体横截面的直径与第二导体横截面的直径相等、每个第一微元长度均相等且每个第二微元长度均相等的条件下，第一测量端所在截面的能量守恒方程为：
Figure FDA0003584376950000011
其中，i＝1且j＝1；
第一微元的能量守恒方程至少包括邻接第一测量端的第一微元的能量守恒方程和邻接第一位置的第一微元的能量守恒方程，在第一微元的数量为三个以上时，还包括其他第一微元的能量守恒方程；
所述邻接第一测量端的第一微元的能量守恒方程为：
Figure FDA0003584376950000021
其中，i＝1；
所述邻接第一位置的第一微元的能量守恒方程为：
Figure FDA0003584376950000022
其中，i＝m；
所述其他第一微元的能量守恒方程为：
Figure FDA0003584376950000023
其中，i＝2,3,…,m-1；
第二微元的能量守恒方程至少包括邻接第一测量端的第二微元的能量守恒方程和邻接第二位置的第二微元的能量守恒方程，在第二微元的数量为三个以上时，还包括其他第二微元的能量守恒方程；
所述邻接第一测量端的第二微元的能量守恒方程为：
Figure FDA0003584376950000024
其中，j＝1；
所述邻接第二位置的第二微元的能量守恒方程为：
Figure FDA0003584376950000031
其中，j＝n；
所述其他第二微元的能量守恒方程为：
Figure FDA0003584376950000032
其中，j＝2,3,…,n-1；
上述各能量守恒方程式中：
i为第一微元的序号，其取值范围为从1至m的自然数，越靠近第一测量端i值越小，其中，m为第一微元的数量值；
j为第二微元的序号，其取值范围为从1至n的自然数，越靠近第一测量端j值越小，其中，n为第二微元的数量值；
p为热平衡状态的序号，其取值范围为从1至q的自然数，其中，q为热平衡状态的数量值；
d为第一导体横截面的直径；
Δx为每个第一微元的长度，其值等于第一测量端与第一位置之间的第一导体的长度LA除以第一微元的数量值m；
Δy为每个第二微元的长度，其值等于第一测量端与第二位置之间的第二导体的长度LB除以第二微元的数量值n；
σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；
Tf为流体温度；
εA为第一导体的出射辐射发射率；
εB为第二导体的出射辐射发射率；
αAG为第一导体吸收入射辐射的热流密度；
αBG为第二导体吸收入射辐射的热流密度；
hA为第一导体与流体的对流换热系数；
hB为第二导体与流体的对流换热系数；
Twp为第p次热平衡状态时获取的第一温度；
TAp为第p次热平衡状态时获取的第二温度；
TBp为第p次热平衡状态时获取的第三温度；
TAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的温度；
TAp(i-1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一位置的第一微元的温度；
TAp(i+1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一测量端的第一微元的温度；
TBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的温度；
TBp(j-1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第二位置的第二微元的温度；
TBp(j+1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第一测量端的第二微元的温度；
KAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i)的函数且函数关系已知；
KAp(i-1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一位置的第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i-1)的函数且函数关系已知；
KAp(i+1)为第p次热平衡状态时与第i个第一微元邻接且更远离第一测量端的第一微元的导热系数，其由第一导体的材料决定并是TAp(i+1)的函数且函数关系已知；
KBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j)的函数且函数关系已知；
KBp(j-1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第二位置的第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j-1)的函数且函数关系已知；
KBp(j+1)为第p次热平衡状态时与第j个第二微元邻接且更远离第一测量端的第二微元的导热系数，其由第二导体的材料决定并是TBp(j+1)的函数且函数关系已知；
Ip为第p次热平衡状态时通过第一热电偶的电流值；
RAp(i)为第p次热平衡状态时第i个第一微元的电阻，其由第一导体的材料决定并是TAp(i)的函数且函数关系已知；
RBp(j)为第p次热平衡状态时第j个第二微元的电阻，其由第二导体的材料决定并是TBp(j)的函数且函数关系已知。
4.一种测温元件，其特征是，包括：
第一热电偶，其设有彼此固接的第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体的连接处形成第一测量端；
第二热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第二测量端，所述第二测量端位于第一导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；
第三热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第三测量端，所述第三测量端位于第二导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；
和
保护套，其与所述第一热电偶绝缘地固定连接并套设于所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶外，所述第一测量端伸出所述保护套的第一端，所述保护套包括壳体，所述壳体设有冷却液流道。
5.如权利要求4所述的一种测温元件，其特征是，所述保护套还包括填充于所述壳体内的填充体，所述填充体绝缘地包覆所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶。
6.如权利要求5所述的一种测温元件，其特征是，所述填充体的导热系数不低于20W/(m·K)。
7.如权利要求4所述的一种测温元件，其特征是：
所述第二测量端位于所述第一导体与所述保护套的第一端相交的第一位置或位于与所述第一位置距离不超过1mm的位置；
所述第三测量端位于所述第二导体与所述保护套的第一端相交的第二位置或位于与所述第二位置距离不超过1mm的位置。
8.一种测温装置，其特征是，包括：
测温元件，其如权利要求4至6中任一项所述；
第一仪表，其与第一热电偶电连接，用于将第一热电偶的电动势转换为第一测量温度；
第二仪表，其与第二热电偶电连接，用于将第二热电偶的电动势转换为第二测量温度；和
第三仪表，其与第三热电偶电连接，用于将第三热电偶的电动势转换为第三测量温度。
9.如权利要求8所述的一种测温装置，其特征是：
所述第二测量端位于所述第一导体与所述保护套的第一端相交的第一位置或位于与所述第一位置距离不超过1mm的位置；
所述第三测量端位于所述第二导体与所述保护套的第一端相交的第二位置或位于与所述第二位置距离不超过1mm的位置。
10.如权利要求9所述的一种测温装置，其特征是，还包括流速调节器，所述流速调节器与所述冷却液流道流体连通，用于调节所述冷却液流道内冷却液的流速。
11.如权利要求10所述的一种测温装置，其特征是，还包括控制与运算器，其与所述第一仪表、第二仪表、第三仪表和流速调节器电连接或信号连接，并根据权利要求1至3中任一项所述的测温方法控制所述流速调节器调整冷却液流速以刺激第一热电偶改变热平衡状态，其还控制所述第一仪表、第二仪表和第三仪表在热平衡状态下分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度；其还根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别对应地获取第一温度、第二温度和第三温度以及对所有能量守恒方程求解得到流体温度。
12.如权利要求9所述的一种测温装置，其特征是，还包括电流调节器，所述电流调节器与第一热电偶的冷端电连接，用于启闭对第一热电偶供电及改变通过第一热电偶的电流大小。
13.如权利要求12所述的一种测温装置，其特征是，还包括控制与运算器，其分别与所述第一仪表、第二仪表、第三仪表和电流调节器电连接或信号连接，其根据权利要求1至3中任一项所述的测温方法控制所述电流调节器启闭对第一热电偶供电或改变通过第一热电偶的电流大小以刺激第一热电偶改变热平衡状态，其还控制所述第一仪表、第二仪表和第三仪表在热平衡状态下分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度；其还根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别对应地获取第一温度、第二温度和第三温度以及对所有能量守恒方程求解得到流体温度。
14.一种测温装置，其特征是，包括：
第一热电偶，其设有彼此固接的第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体的连接处形成第一测量端；
第一仪表，其与第一热电偶电连接，用于将第一热电偶的电动势转换为第一测量温度；
第二热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第二测量端，所述第二测量端位于第一导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；
第二仪表，其与第二热电偶电连接，用于将第二热电偶的电动势转换为第二测量温度；
第三热电偶，其相对所述第一热电偶固定并设有第三测量端，所述第三测量端位于第二导体上与所述第一测量端存在间隔的位置；
第三仪表，其与第三热电偶电连接，用于将第三热电偶的电动势转换为第三测量温度；和
电流调节器，其与第一热电偶的冷端电连接，用于启闭对第一热电偶供电及改变通过第一热电偶的电流大小。
15.如权利要求14所述的一种测温装置，其特征是，还包括保护套，所述保护套与所述第一热电偶绝缘地固定连接并套设于所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶外，所述第一测量端伸出所述保护套的第一端。
16.如权利要求15所述的一种测温装置，其特征是，所述保护套包括壳体和填充于所述壳体内的填充体，所述填充体绝缘地包覆所述第一热电偶、所述第二热电偶和所述第三热电偶。
17.如权利要求15所述的一种测温装置，其特征是：
所述第二测量端位于所述第一导体与所述保护套的第一端相交的第一位置或位于与所述第一位置距离不超过1mm的位置；
所述第三测量端位于所述第二导体与所述保护套的第一端相交的第二位置或位于与所述第二位置距离不超过1mm的位置。
18.如权利要求17所述的一种测温装置，其特征是，还包括控制与运算器，其分别与所述第一仪表、第二仪表、第三仪表和电流调节器电连接或信号连接，其根据权利要求1至3中任一项所述的测温方法控制所述电流调节器启闭对第一热电偶供电或改变通过第一热电偶的电流大小以刺激第一热电偶改变热平衡状态，其还控制所述第一仪表、第二仪表和第三仪表在热平衡状态下分别采集第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度；其还根据第一测量温度、第二测量温度和第三测量温度分别对应地获取第一温度、第二温度和第三温度以及对所有能量守恒方程求解得到流体温度。
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