CN113654689A - 基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法 - Google Patents

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CN113654689A CN202110920972.2A CN202110920972A CN113654689A CN 113654689 A CN113654689 A CN 113654689A CN 202110920972 A CN202110920972 A CN 202110920972A CN 113654689 A CN113654689 A CN 113654689A
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朱海龙
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    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases

Abstract

本发明涉及温度测量仪表技术领域，针对开放状态下高温热源温度的测量存在的问题，本发明公开了一种基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法。首先建立探头钨丝与周围环境的稳态方程
Figure DDA0003207436650000011
然后通过测量装置的电流表和电压表测得探头钨丝两端的电压值V和流过的电流值I，从而计算得到探头钨丝电阻R和探头钨丝温度TW，然后将上述电压值V、电流值I、探头钨丝温度TW、直接测量获得的探头钨丝表面积S1和探头钨丝的辐射总面积S2以及已知的环境与探头钨丝的传热系数β和斯忒藩‑玻尔兹曼常量σ带入上述建立的稳态方程即可求得环境气体温度TS。本发明方法操作简单，成本低，可以对2000‑6000K的温度进行接触测量，大大提高了接触测量的测温范围。

Description

基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法
技术领域
本发明涉及温度测量仪表技术领域，特别是2000℃以上温度的测量，具体为一种基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法。
背景技术
工业上的很多应用，例如工件的热处理、化学反应的环境以及通过燃烧获得能量等，需要在高温环境下进行，如果在一个封闭炉体内进行，炉体内通常可以认为达到了热平衡，炉体内物体温度可以认为是相同的。因此，在多数情况下，采用热电偶方便地测量炉体内的温度，如专利CN108955927A公开的一种适用于800～2300℃下氧化和还原气氛的钨铼热电偶以及专利CN208520488U公开的一种双铱铑热电偶温度计。但是在一些应用中，例如，大气压等离子体炬以及航空发动机燃烧等应用，热源往往是处于开放的状态，同时温度的值大大超出了目前接触法能够测量的范围。在这种情况下就需要非接触的光学测量方法，比较重要的如光谱测温法，然而这需要置备昂贵的光学设备且需要具备一定基础的专业人员才能进行测量，所以在高温的开放热源测温领域(如等离子体、高温反应炉等)亟需开发一种方便的测量方法来填补这个空白。
发明内容
针对开放状态下高温(2000℃以上)热源温度的测量存在的问题本发明提供了一种基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法，包括：探头、耐高温陶瓷支架、电流表、电压表和直流电源；
所述探头安装于耐高温陶瓷支架上，材质为丝径一致且电阻和温度关系已知的钨丝；所述电压表和电流表分别用于测量探头两端的电压和流过的电流；所述直流电源用于向探头提供恒定的直流电压；
接触测量法具体包括以下步骤：
步骤1，将所述探头的钨丝放入需要测量温度的高温气体环境中，通过直流电源在探头两端加上恒定的直流电压，则在稳态下探头钨丝和周围环境的能量交换满足如下的能流平衡关系：
Figure BDA0003207436630000021
式中，V为电压表测量的加在探头钨丝两端的电压，I为电流表测量的通过探头钨丝的电流，VI为加在探头钨丝上的电功率；β为环境与探头钨丝的传热系数，S1为探头钨丝表面积，TS为环境气体温度，TW为探头钨丝温度，β·S1(TS-TW)为环境与探头钨丝热传导的功率；ε为探头钨丝的发射率，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量，S2为探头钨丝的辐射总面积，
Figure BDA0003207436630000022
为探头钨丝的灰体辐射总功率；
步骤2，通过电压表和电流表测量探头钨丝两端的电压V和通过探头钨丝的电流I，计算所测的电压与电流的比值可以确定探头钨丝的电阻R：
R＝V/I (2)
步骤3，探头钨丝的电阻和探头钨丝温度满足：
R＝R(TW) (3)
对公式(3)作反函数可得：
TW＝T(R) (4)
式中，T为探头电阻的函数，将步骤2计算得到的探头钨丝电阻值R带入公式(4)即可求得探头钨丝的温度TW；
步骤4，将步骤2测量得到的V、I值、步骤3计算得到的TW值、斯忒藩-玻尔兹曼常量σ、已知的环境与探头钨丝的传热系数β以及测量获得的探头钨丝表面积S1和探头钨丝的辐射总面积S2带入公式(1)就可获得所测环境气体温度TS
Figure BDA0003207436630000031
由于钨丝的熔点高(3400℃左右)，其电阻率随温度变化基本呈线性，热稳定性极佳，且其价格便宜，因此通过外接直流电源以及采用电压表和电流表分别测量出流过的电流和电压就可以完成对所使用钨丝温度的测量工作。
进一步，所述钨丝缠绕成螺旋状结构，长度远大于测量装置其余部分的长度。足够长的钨丝保证具有一定数值大小的电阻值，这样电阻值随温度变化的实际测量灵敏度也相应提高，在这种情况下，连接探头测温区域钨丝的引线长度相对于测温区域缠绕成螺旋状结构的钨丝的长度可以忽略从而减少因为在计算公式中没有考虑这部分的贡献而产生的测量误差；同时为了要保证在小的测量区域内足够长的钨丝在全长范围的温度保持一致，把钨丝缠绕成螺旋状可缩小钨丝所占的空间体积，另外，这样也可以提高测量的空间分辨率。
进一步，所述钨丝的表面黑度趋于1，直径≤0.5mm。表面黑度趋近于1使得钨丝在高温下的辐射特征接近黑体辐射，可以避免因为钨丝缠绕的方式不同导致探头表面状况的差别而带来的与黑体辐射公式描述结果不同产生的误差，另外，钨丝的电阻值是与钨丝的直径成反比的，通过限定钨丝的直径来获得具有一定数值大小的电阻值，这样也会使得电阻值随温度变化的实际测量灵敏度得到提高。
进一步，所述高温气体的温度范围为2000-6000K。
进一步，所述探头钨丝的传热系数β或者探头钨丝的辐射总面积S2可通过光谱辐射法，进行交叉比对后确定。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明建立了一种基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法，该方法可以对2000-6000K的温度进行接触测量，使得接触测量的测温范围大为提高。
2、本发明方法与现有的非接触光学测量法，如光谱测温法相比，具有成本低、操作简单、不需要只限于专业人员操作的优势。
附图说明
图1为本发明接触测量法的实现流程图。
图2为本发明接触测量法装置概念图。图中，1-探头，2-耐高温陶瓷支架，3-电流表，4-电压表，5-直流电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、构造、特征及其功能有进一步的了解，下面结合本发明具体实例和附图进行说明，本领域的研究人员可以轻易地通过说明书了解掌握本发明的优点和功能。本说明书的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，展示的仅是示意图，并非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对从事本领域工作的技术人员来说，其中省略的结构及其说明是可以理解的。
由于温度越高钨丝的热辐射就越强，因此，在开放的条件下当钨丝放入热源时，其向周围热辐射造成的能量损失很大，钨丝很难和处于其中的等离子体处于平衡状态，因此，本发明建立了一个稳态方程：
Figure BDA0003207436630000051
来计算环境气体温度。式中，V为电压表4测量的加在探头钨丝两端的电压，I为电流表3测量的通过探头钨丝的电流，VI为加在探头钨丝上的电功率；β为环境与探头钨丝的传热系数，S1为探头钨丝表面积，TS为环境气体温度，TW为探头钨丝温度，β·S1(TS-TW)为环境与探头钨丝热传导的功率；ε为探头钨丝的发射率，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量，S2为探头钨丝的辐射总面积，
Figure BDA0003207436630000052
为探头钨丝的灰体辐射总功率。想要根据稳态方程计算环境气体温度
Figure BDA0003207436630000053
需要获得方程中电流、电压值I、V和探头钨丝温度TW。
如图2所示，本发明接触测量法所用装置包括：探头1、耐高温陶瓷支架2、电流表3、电压表4和直流电源5；其中探头1为丝径一致(直径≤0.5mm)且电阻和温度关系已知的钨丝，钨丝缠绕成螺旋状结构，钨丝的表面黑度趋于1，钨丝的长度远大于测量装置其余部分；电压表4和电流表3分别用于测量探头1两端的电压V和流过的电流I；直流电源5用于向探头1提供恒定的直流电压。
如图1所示，上述基于稳态方程的高温气体温度测量法具体包括如下步骤：
步骤1，将所述探头1的钨丝放入需要测量温度的高温气体环境中，通过直流电源5在探头1两端加上恒定的直流电压，则在稳态下探头钨丝和周围环境的能量交换满足如下的能流平衡关系：
Figure BDA0003207436630000054
式中，V为电压表4测量的加在探头钨丝两端的电压，I为电流表3测量的通过探头钨丝的电流，VI为加在探头钨丝上的电功率；β为环境与探头钨丝的传热系数，S1为探头钨丝表面积，TS为环境气体温度，TW为探头钨丝温度，β·S1(TS-TW)为环境与探头钨丝热传导的功率；ε为探头钨丝的发射率，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量，S2为探头钨丝的辐射总面积，
Figure BDA0003207436630000061
为探头钨丝的灰体辐射总功率；
步骤2，通过电压表4和电流表3测量探头钨丝两端的电压V和通过探头钨丝的电流I，计算所测的电压与电流的比值可以确定探头钨丝的电阻R：
R＝V/I (2)
步骤3，探头钨丝的电阻R和探头钨丝温度TW满足：
R＝R(TW) (3)
对公式(3)作反函数可得：
TW＝T(R) (4)
式中，T为探头电阻的函数，将步骤2计算得到的探头钨丝电阻值带入公式(4)即可求得探头钨丝的温度TW；
步骤4，将步骤2测量得到的V、I值、步骤3计算得到的TW值、已知的环境与探头钨丝的传热系数β以及测量获得的探头钨丝表面积S1和探头钨丝的辐射总面积S2带入公式(1)就可获得所测环境气体温度TS
Figure BDA0003207436630000062

Claims (5)

1.基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法，其特征在于，包括：探头(1)、耐高温陶瓷支架(2)、电流表(3)、电压表(4)和直流电源(5)；
所述探头(1)安装于耐高温陶瓷支架上，材质为丝径一致且电阻和温度关系已知的钨丝；所述电压表(4)和电流表(3)分别用于测量探头(1)两端的电压和流过的电流；所述直流电源(5)用于向探头(1)提供恒定的直流电压；
接触测量法具体包括以下步骤：
步骤1，将所述探头(1)的钨丝放入需要测量温度的高温气体环境中，通过直流电源(5)在探头(1)两端加上恒定的直流电压，则在稳态下探头钨丝和周围环境的能量交换满足如下的能流平衡关系：
Figure FDA0003207436620000011
式中，V为电压表(4)测量的加在探头钨丝两端的电压，I为电流表(3)测量的通过探头钨丝的电流，VI为加在探头钨丝上的电功率；β为环境与探头钨丝的传热系数，S1为探头钨丝表面积，TS为环境气体温度，TW为探头钨丝温度，β·S1(TS-TW)为环境与探头钨丝热传导的功率；ε为探头钨丝的发射率，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量，S2为探头钨丝的辐射总面积，εσTW 4·S2为探头钨丝的灰体辐射总功率；
步骤2，通过电压表(4)和电流表(3)测量探头钨丝两端的电压V和通过探头钨丝的电流I，计算所测的电压与电流的比值可以确定探头钨丝的电阻R：
R＝V/I (2)
步骤3，探头钨丝的电阻R和探头钨丝温度TW满足：
R＝R(TW) (3)
对公式(3)作反函数可得：
TW＝T(R) (4)
式中，T为探头电阻的函数，将步骤2计算得到的探头钨丝电阻值R带入公式(4)即可求得探头钨丝的温度TW；
步骤4，将步骤2测量得到的V、I值、步骤3计算得到的TW值、斯忒藩-玻尔兹曼常量σ、已知的环境与探头钨丝的传热系数β以及测量获得的探头钨丝表面积S1和探头钨丝的辐射总面积S2带入公式(1)就可获得所测环境气体温度TS
Figure FDA0003207436620000021
2.根据权利要求1所述的基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法，其特征在于：所述钨丝缠绕成螺旋状结构，长度远大于测量装置其余部分的长度。
3.根据权利要求1所述的基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法，其特征在于：所述钨丝的表面黑度趋于1，直径≤0.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法，其特征在于：所述高温气体的温度范围为2000-6000K。
5.根据权利要求1所述的基于稳态的能流平衡关系对高温气体温度的接触测量法，其特征在于：所述探头钨丝的传热系数β或者探头钨丝的辐射总面积S2可通过光谱辐射法，进行交叉比对后确定。
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