CN1198529A - 测量热交换能力的传感器及测量和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热交换能力测量技术,其测量用传感器主要由一个电阻温度系数大于5×10^－4/℃的材料制成的发热体,提供工作电源的导线和连接在发热体两端测量发热体电压的引线构成。通过测试电流和两端电压,可得出发热体P、q、α;本发明传感器具有测量迅速、方便、准确、灵敏度高的特点,使用该传感器同时能实现对介质冷却能力进行控制。

Description

测量热交换能力的传感器及测量和控制方法

本发明属于热交换能力测量技术，主要涉及一种测量高温物体与周围介质之间热交换能力用的传感器，该传感器尤其适用于淬火介质热交换能力的测量和控制；本发明还涉及用传感器测量热交换能力的测量和控制方法。

在现有物体热交换能力测量技术中，与本发明最接近的传感器和测量方法有热丝法和薄片传感器法。热丝法是利用浸在一定体积内的被测介质中的电阻丝，测量电阻丝熔断时的最大电流值来度量热交换能力(介质的冷却能力)，测量时，采用一定长度的镍铬电阻丝，浸在被测介质中并通以电流，逐步增加电流值，直到电阻丝熔断为止，将熔断时的电流记录下来，用电流的平方值来表示热交换能力(冷却能力)。这种方法所需设备简单，但操作时影响因素较多，必须严格控制试验条件。薄片传感器是在镍铬合金带上焊接热电偶和测压电极构成，合金带、热电偶和电极都整体铸在陶瓷体中，工作时使合金带通以电流，测出带工作段的温度，电压降和通过合金带(加热器)的电流，按照所得数据计算出热通量和热交换系数。这种方法由于在合金带上焊接了一个热电偶，这就使得焊接点的发热条件和散热条件不同于合金带上其它部位，因而测得的温度只能代表焊接点的温度而不能代表整个合金带的温度，另外还存在热损失问题。

本发明的目的即是提供一种能方便地测量高温物体与周围介质热交换能力用的传感器并能准确、迅速地测出高温物体的温度，同时还提供用该传感器测量热交换能力的方法和控制热交换能力的方法。

本发明提出的传感器为：主要由一个电阻温度系数大于5×10^-4/℃的纯金属及其合金材料制成的发热体，连接在发热体两端用以向其提供工作电源的导线，连接在发热体两端用以通过其测量发热体两端电压的引线构成。

发热体在长度方向上具有均匀的等截面。

两端供电导线向发热体提供恒定电压。

在恒温测量时供电导线向发热体提供可调节输出电压。

测量发热体两端电压的引线也可连接在工作电源回路的导线上。

本发明测量热交换能力的方法为：

在发热体的电源回路中接入电流测试仪器可测得电流值；在发热体两引线之间接入电压测试仪器，测得发热体两端电压，并由P(电功率)＝I·U得出发热体的电功率。

由q(热通量)＝P/S得出发热体的热通量，其中S为发热体与介质之间的界面面积。

发热体的温度T由方程：

U/I＝R₀(1+α₁T+α₂T²)解出；其中R₀为T＝0时的电阻，α₁α₂为与发热体材料性质有关的常数；在多数情况下α₂＝0，这时T＝(U/IR₀-1)/α₁。

热交换系数α由α＝q/(T-Tm)得出，其中Tm为介质的平均温度。

恒温测量方法是在给定发热体的温度下进行测量，将供电导线接可调节输出电压的电源上，根据设定的温度计算发热体两端的电压与通过的电流比值，即U/I＝R₀(1+α₁T+α₂T²)然后将电源输出电压由0逐渐升高，使U/I值等于计算值，这时测出U和I，根据U和I，计算出P、q、α。

一种给定发热体温度下控制P或q或α为设定值的控制方法，根据设定的发热体温度T计算U/I，U/I＝R₀(1+α₁T+α₂T²)然后不断调节电源输出电压，使发热体两端的电压降与通过的电流之比为计算值，再由此计算出P或q或α，将计算得出的P、q、α与设定的值进行比较，若不相等，则可以通过改变介质的循环条件，介质温度、介质成分、向介质中加入添加剂等方法来改变介质的冷却条件，以上方法可单独或结合使用，最终使P或q或α为设定值。

本发明传感器在使用中接通电源到发热体的发热功率与散热功率相等所需要的时间小于1秒钟，在同种介质中进行多次测量数据误差均小于1％，所以本发明传感器具有测量迅速、方便、准确、灵敏度高的特点，使用该传感器同时能实现对介质冷却能力进行控制。

本发明实施例提供的附图为：

附图1为本发明传感器示意图。

附图2为进行测量时的示意图。

本发明传感器由发热体1、连接在发热体两端的供电导线2和测量发热体两端电压降的引线3组成，发热体1选用具有较大电阻温度系数的材料，如铁、铜、钼、钨、钽、锂等工业用纯金属及其合金材料制成，在长度方向上具有均匀的横截面，如圆截面的丝状，矩形截面的片状等，引线3可接在发热体的端点上，也可以接在导线2上。导线2与发热体的接点以及引线3与导线2的接点，或引线3与发热体的接点的外表面加有一层绝缘层(当介质导电性能很差时可以不要绝缘层，当介质具有一定导电性时，加绝缘层可以减小通过介质的电流，感小测量误差)。发热体1的局部或全部表面可涂上或沉积上一层与发热体的材料不同的覆盖层，由此可模拟不同表面与介质的热交换能力。

传感器的工作原理：当在供电导线2两端加上恒定电压(直流或交流均可)时，电流经供电导线2流过发热体1，发热体将电能转换成热能，使其温度升高，同时向介质中散热，当发热体的发热功率和向介质中散热的功率相等时，即达到了平衡，这时发热体1的温度T、发热体两端的电压降U和经过它的电流I为恒定值，测出U和I，根据U和1计算：

电功率P＝I·U

热通量q＝P/S

温度T：U/I＝R₀(1+α₁T+α₂T²)

提供一种传感器的具体实例：

发热体用φ0.18mm的钼线制成，先将钼丝切成120mm长，在距两端10±0.1mm的长度上镀上厚约0.01mm的铜，将两端分别绕在φ2mm的铜线上，将铜线在绕有钼丝的地方弯曲180°使其牢固的夹紧钼丝，将铜线及引线3分别插在导线2的两端并用焊锡焊牢，最后将除发热体1以外的金属表面用环氧树脂绝缘，发热体的有效长度为100mm，该传感器的设计参数为R₀＝0.2043Ω，α₁＝0.00471/℃，α₂＝0，S＝0.565Cm²。

也可将传感器中发热体的表面涂上一层厚度约0.01mm的环氧树脂。

实施例2，该例提供用例1设计的传感器对介质冷却能力进行测试的装置、过程及结果。其测量装置如图2，由自耦变压器5、传感器1、电压表7、电流表8、容器9、介质10、搅拌器11、温度计6等组成。自耦变压器输入端接220V交流电。

测量时，逐渐改变自耦变压器输出端电压，记录由电压表7和电流表8测出的电压和电流值，并根据这些值计算出温度T、功率P、热通量q及热交换系数α。表1和表2分别是对W-1、W-2两种淬火介质冷却能力的测试结果，介质温18±1℃，无搅拌。

        表1  W-1淬火介质测试结果U(伏)       1.30   2.10   4.09   5.70   7.09    8.86I(安)       4.0    5.0    7.0    9.0    11.0    13.0T(℃)       125.4  224.2  394.9  445.9  457.5   496.0P(瓦)       5.2    10.5   28.63  51.3   77.99   115.18q(瓦/cm)    9.20   18.60  50.67  90.80  138.03  203.85α(瓦/cm℃) 0.086  0.090  0.134  0.212  0.314   0.427

        表2 W-2淬火介质测试结果U(伏)       1.31   2.23    4.66    6.90    9.52    13.20  17.21I(安)       5.0    8.0     16.0    23.0    30.0    40.0   50.6T(℃)       60.0   77.4    90.4    99.5    117.5   130.6  145.4P(瓦)       6.55   17.8    74.6    158.7   285.6   528.0  860.5q(瓦/cm)    11.6   31.6    132.0   280.9   505.5   934.5  1523.0α(瓦/cm℃) 0.276  0.532   1.824   3.448   5.082   8.297  11.956

表3是用例1设计的传感器(涂有环氧树脂)对W-2淬火介质冷却能力测试结果，介质温度18±1℃，无搅拌。

         表3 W-2淬火介质测试结果U(伏)        1.05    1.64     2.57   4.12    6.10   8.29I(安)        4.0     6.0      9.0    14.0    20.0   26.0T(℃)        60.5    71.7     84.4   93.5    104.6  119.0P(瓦)        4.2     9.84     23.13  57.68   122.0  215.5q(瓦/cm)     7.43    17.42    40.93  102.09  215.9  381.5α(瓦/cm℃)  0.175   0.324    0.616  1.352   2.492  3.776

实施例3，用该例来说明用发明的传感器控制介质冷却能力的方法。

所用装置如图2，用例1设计的传感器进行测量，介质选用W-2介质。控制目标为：当发热体温度为130±2℃时，要求发热体的功率为P₁＝600±10瓦，P₂＝400±10瓦。其方法步骤如下：

(1)、先计算满足控制要求条件下的各参数

发热体的电阻值：

R_设＝R₀(1+α₁T_设)＝0.3275～0.3313(欧)

发热体两端电压值：

U₁＝P₁·R_设＝14.02～14.10(伏)

U₂＝P₂·R_设＝11.45～11.51(伏)

通过发热体的电流：

I₁＝P₁/R_设＝42.56～42.80(安)

I₂＝P₂/R_设＝34.75～34.95(安)

检验P值：

P₁＝U₁·I₁＝596.7～603.5(瓦)

P₂＝U₂·I₂＝397.9～402.3(瓦)

均可满足控制误差要求。

(2)、控制P₁＝600±10瓦

介质温度18±1℃，逐渐升高自耦变压器输出电压，直到U/I＝0.3275～0.3313范围内，这时测量U＝13.20(伏)、I＝40.0安，U/I＝0.330，P＝528.0。然后逐渐升高搅拌器转速，与此同时，逐渐升高自耦变压器输出电压，使电压表读数升高到14.02～14.10范围内，当电流表读数小于42.56安时升高搅拌器转速，当大于42.56安时，降低搅拌转速，最后，当搅拌器转速为126转/分时，U＝14.06伏，I＝42.7安，满足了控制要求。

(3)、控制P₂＝400±10瓦

介质温度18±1℃，搅拌器转速为126转/分，逐渐升高自耦变压器输出电压，达到U＝14.06(伏)、I＝42.7安，这时P＝600.4瓦。然后，在不断搅拌下向介质中加入一定量添加剂，同时逐渐降低自耦变压器输出电压，在这一过程中尽量保持U/I＝0.33。当向介质中加入的添加剂含量为0.2％时，测得U＝12.31(伏)、I＝37.3安、P＝459.2瓦。接下来逐渐降低搅拌器转速，同时逐渐降低自耦变压器输出电压，并使电压表读数在11.45～11.51伏范围内，电流表读数接近34.8安，这时搅拌器转速为62转/分，U＝11.49伏，I＝34.8安，P＝399.9瓦，满足了控制要求。

Claims (7)

1、一种测量热交换能力的传感器，本发明的特征是：主要由一个电阻温度系数大于5×10^-4/℃的纯金属及其合金材料制成的发热体(1)，连接在发热体(1)两端用以向其提供工作电源的导线(2)，连接在发热体(1)两端用以通过其测量发热体两端电压的引线(3)构成。

2、一种测量热交换能力的方法，本发明的特征是：在传感器发热体电源中接入电流测试仪测得电流值，在发热体两引线之间接入电压测试仪器，测得发热体两端电压，并由P(电功率)＝I·U得出发热体的电功率；由q(热通量)＝P/S得出发热体的热通量，其中S为发热体与介质之间的界面面积；发热体的温度T由T＝(U//IR₀-1)/α₁得出；发热体的热交换系数α由α＝q/(T-Tm)得出，其中Tm为介质的平均温度；

恒温测量方法是在给定发热体的温度下进行测量，将供电导线接可调节输出电压的电源上，根据设定的温度T计算发热体两端的电压与通过的电流比值，即U/I＝R₀(1+α₁T+α₂T²)，然后将电源输出电压由0逐渐升高，使U/I值等于计算值，这时测出U和I值，根据U和I值计算出发热体的电功率P、热通量q和热交换系数α。

3、一种给定发热体温度下控制发热体的电功率P、热通量q和热交换系数α为设定值的控制方法，本发明的特征是：根据设定的发热体温度T计算U/I，然后调节电源输出电压，使发热体两端的电压降与通过的电流之比为计算值，测出U和I，再由此计算出P或q或α，将计算得出的P、q、α与设定值进行比较，若不相等，则通过改变介质的循环条件、介质温度、介质成分、向介质中加入添加剂等方法来改变介质的冷却能力。

4、根据权利要求1所述的一种测量热交换能力的传感器，其特征是发热体(1)在长度方向上具有均匀的横截面。

5、根据权利要求1所述的一种测量热交换能力的传感器，其特征是两端供电导线向发热体提供恒定电压。

6、根据权利要求1所述的一种测量热交换能力的传感器，其特征是在恒温测量时供电导线向发热体提供可调节输出电压。

7、根据权利要求1所述的一种测量热交换能力的传感器，其特征是测量发热体两端电压的引线(3)可连接在发热体工作电源回路的导线(2)上。

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