階躍溫度及水流對工業鉑熱電阻響應時間影響

摘要：在搭建的工業鉑熱電阻熱響應時間測試實驗臺上，選用熱響應時間不同的工業鉑熱電阻溫度計作為被測對象，測試了在不同水溫及不同水流速度時鉑熱電阻溫度計的熱響應時間。數據表明：階躍溫度及水流速度對鉑熱電阻溫度計的熱響應時間確有影響，其中階躍溫度對鉑熱電阻熱響應時間的影響很小，流速對熱響應時間較大的鉑熱電阻有明顯影響，對熱響應時間較小的鉑熱電阻的影響很小。

0引言

工業鉑熱電阻作為接觸式測溫的傳感器在各行各業中得到廣泛的應用。鉑熱電阻溫度計在測量變化較快的流體溫度時，一般不能立刻反映被測溫度，需要一定時間后才能達到熱平衡狀態[1]。文獻[1]中還提到，常用溫度傳感器對階躍溫度的響應來描述其動態響應特性，其中主要的指標就是熱響應時間。鉑熱電阻溫度計熱響應時間是指鉑熱電阻響應一個溫度階躍變化，到達規定的百分比所需的時間，達到階躍量的10%、50%、90%的熱響應時間記作τ0.1、τ0.5、τ0.9[2],[3]，通常使用比較多的是τ0.632。鉑熱電阻溫度計熱響應時間是一個至關重要的參數。

1實驗臺組成

鉑熱電阻熱響應時間測試實驗臺主要由以下幾部分組成：

1）恒溫水槽：恒溫水槽溫度波動度及均勻度已校，滿足實驗要求；恒溫水槽的設計直徑滿足“水流流道寬度不小于被校傳感器直徑的10倍”的要求；恒溫水槽內配有變頻水泵，水由特殊設計的射流器射出，水槽底部吸入，從而可使水槽內的水旋轉，設計水流旋轉速度可達0.4~1.0m/s。

2）傳感器動態響應接線箱可接鉑熱電阻和熱電偶。將被測傳感器的溫度信號轉化為1~5V電壓信號，輸出到示波器中。

3）示波器：接收電信號，實時顯示輸入電壓的變化，通過圖形分析，計算出鉑熱電阻溫度計熱響應時間。

4）微型多普勒流速儀：測試水流流速，使用時流速儀探頭與水流方向一致，測試桿與水流方向垂直。

2測試原理

將鉑熱電阻溫度計固定在支架上，在環境中充分靜置，恒溫水槽內的水溫和流速達到預定值。利用多普勒流速儀測量水流旋轉速度后，被檢鉑熱電阻溫度計入水位置與多普勒流速儀測量位置一致。示波器啟動信號記錄，機械臂將鉑熱電阻溫度計迅速置入水中，遇水瞬間，觸發信號啟動，作為響應時間的起始計算點。示波器記錄電壓曲線，待鉑熱電阻溫度計測試溫度與恒溫水槽溫度達到平衡，記錄停止。分析曲線，測出鉑熱電阻熱響應時間。每種工況測量三次，熱響應時間的重復性在10%以內時數據有效，否則重新測量。

圖2給出了1#鉑熱電阻溫度計在70℃水溫、0.6m/s流速時示波器顯示圖形的界面，其余測試點類似。

3測試數據分析

表1和表2給出了1#和2#鉑熱電阻在不同水流速度和不同水溫下的熱響應時間的數據。

  

  

圖3~圖5給出了30℃、50℃、70℃不同水溫時，1#、2#鉑熱電阻熱響應時間隨水流速度變化而變化的情況。

可以發現，對1#鉑熱電阻而言，在相同水溫時，熱響應時間隨流速的增大呈現降低的規律，以30℃為例，水流速度0.6m/s時，1#鉑熱電阻熱響應時間為6.6s，水流速度0.8m/s時，熱響應時間為5.5s，比水流速度0.6m/s時熱響應時間降低了16.7%；水流速度1.0m/s時，熱響應時間為5.5s，比水流速度0.6m/s時熱響應時間降低了22.7%，下降幅度是很明顯的。在水溫50℃和70℃時，具有相似的規律性。50℃水溫時，1#鉑熱電阻在水流速度1.0m/s時的熱響應時間比水流速度0.6m/s時的熱響應時間降低了20.0%；70℃水溫時，則降低了17.5%。

不同的是，對2#鉑熱電阻而言，水流速度對其熱響應時間的影響是不明顯的，甚至可以說是幾乎沒什么影響的。水溫30℃和70℃時，熱響應時間均為2.6s，熱響應時間沒有隨流速的增大而變化。而在50℃水溫時，熱響應時間隨流速的增大反而呈現了少許增大的情況。水流速度1.0m/s時的熱響應時間比水流速度0.6m/s時增加了8.0%。

圖6-圖9給出了0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s水流速度時1#、2#鉑熱電阻熱響應時間隨水溫變化而變化的情況。

可以發現，隨著水溫由30℃增加至70℃，1#、2#鉑熱電阻熱響應時間的變化是微小的。對1#鉑熱電阻而言，在水流速度0.6m/s，30℃水溫時熱響應時間為6.6s，50℃水溫時熱響應時間為6.5s，比30℃水溫時降低了1.5%；70℃水溫時熱響應時間為6.3s，比30℃水溫時降低了4.5%；在水流速度0.8m/s，70℃水溫時熱響應時間比30℃水溫時降低了1.8%；在水流速度1.0m/s，70℃水溫時熱響應時間比30℃水溫時降低了2.0%；

對2#鉑熱電阻而言，熱響應時間都集中在2.6s附近，在水流速度0.6m/s，50℃水溫時熱響應時間比30℃水溫時降低了3.8%；在水流速度1.0m/s，50℃水溫時熱響應時間比30℃水溫時增加了3.8%。

可以認為，兩支鉑熱電阻熱響應時間受水流速度影響的規律是不同的，說明了在分析水流速度這一影響量時，鉑電阻的結構也是需要考量的一個重要因素。

4結語

文章分析了階躍溫度和水流速度對工業鉑熱電阻溫度計熱響應時間的影響規律。對熱響應時間較大的1#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應時間下降明顯，1.0m/s水流速度時熱響應時間比0.6m/s時下降了接近20%。而對熱響應時間較小的2#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應時間的變化甚微。說明，水流速度的增大并不一定意味著熱響應時間的下降，這與通常的認知：流速增大換熱增強導致熱響應時間的降低是不一致的。鉑熱電阻的結構是影響著其本身的熱響應時間和熱響應時間的變化規律的。從實驗發現，溫度階躍對鉑熱電阻熱響應時間的影響不大。

文章搭建了熱響應時間測試實驗臺，對溫度階躍和水流速度對鉑熱電阻熱響應時間的影響規律進行了初步的探索。在接下來的工作中，會逐步增加測試工況和鉑熱電阻數量，探索并擬合出不同種類鉑熱電阻熱響應時間與水流速度的函數關系。以便了解鉑熱電阻在每一流速點的熱響應時間情況。在后續的工作中，還可以開展LCSR法測得的熱響應時間與置入法測得的熱響應時間的比較研究。