液氦流动速度对温度测量的影响

　　1　引　言

　　在测量管道中流体(液体或气体)的温度时,为了准确的测量它们的温度,温度计一般安装于管道中。由于流体在管道中流动,因而它们相对于温度计总是运动的。而温度计测量的温度是附着在温度计表面的流体的温度,即滞止流体的温度,而不是流动流体的温度。对于液体或气体,其滞止过程若是绝热的,则它们滞止状态的焓为[1]

      其中h, v为流体的焓和流速, 0表示滞止状态。根据上式,我们可以得到流体的实际温度(真实温度)和其绝热滞止温度之间的关系

         其中cp为流体的定压比热容。流动流体的真实温度总是低于它的滞止温度,即测量温度。在温度测量时,为提高测量的精度,我们应该知道测量温度与实际温度到底有多大的差别,以及当测量温度与实际温度的差别不能忽略时,如何对测量温度进行修正而得到流体的真实温度。若测量的温度是流体的等熵滞止温度,根据等式(1)和熵不变就可计算得到流体的真实温度。然而测量温度并不是流体的等熵滞止温度,它与滞止过程有关,即与滞止过程中热量的散失、流体的摩擦效应、温度计的设计和安装及其它因素等有关。

　　在大型超导磁体的实验和应用中,它们广泛采用超临界氦迫流冷却方式。迫流冷却氦的温度测量是非常重要的。我们在此通过实验研究了液氦(处于超临界状态)流动时的流动速度对测量温度的影响。

　　2　实验装置

　　此实验是在超导磁体冷却的控制杜瓦中进行,其流程简图如图1所示。循环的液氦由活塞泵提供。通过调节液氦泵的转速来改变液氦的流量,从而改变液氦的流速。流程中有两个文丘利流量计,它们具有相同的几何尺寸。进出口直径D=19.9 mm,喉部直径d=8.2 mm。文丘利流量计I用来测量液氦的流量, PIAS262和T1262分别测量其进口的压力和温度,FI266则用来进行压差测量。对于文丘利流量计,其质量流量可根据下式计算得出^[2] :

　　这里.m为质量流量,Cd为流量系数,A2为喉部截面积(m2),β= d/D,p1-p2为所测量的文丘利流量计的进口与喉部之间的压差,ρ为液氦的密度。

　　另外在回路中FI260为Coriolis质量流量计。Coriolis质量流量计与文丘利流量计所测得的质量流量结果吻合得很好^[3] 。由于Coriolis流量计测量的上限高于所用的文丘利流量计,从而在第二次实验中获得了更高液氦流速时的实验数据。

　　文丘利流量计Ⅱ则用来做流速对测量温度影响的研究,分别在其进口、喉部和出口装有温度计TI700, TI701, TI771。它们均为TVO温度计^[4] 。文丘利流量计Ⅱ与文丘利流量计Ⅰ和Coriolis流量计是串联的,所以流过它们的流量总是相等的。温度计TI252测量控制杜瓦中液氦的温度。