测量动态温度的快速响应方法

　　0　引言

　　热能动力机械(内燃机、燃气轮机、斯特林发动机等)在工作过程中,都是将低温工作介质通过燃烧或者外部加热的方式,使其温度及压力升高。如在内燃机或燃气轮机中,是空气与石油类燃料混合工质燃烧;在斯特林发动机中,是氦氢等气体工质经受外部加热,通过这样的方式使工质的温度压力均大幅提升,而后使工质膨胀作功。在这种燃烧或外部加热的时候,工作介质的温度会突然升高,其过程时间要以秒计算。在这样快速变化温度的条件下,要想比较准确的测量出工作介质的温度,用一般的温度传感器是很难实现的,必须使用快速响应温度传感器。考虑过多种测量仪器,如铂电阻温度计,其响应速度太慢,体积也过大;热敏电阻,不耐高温;辐射温度计,不适宜于管道内封闭腔体内的温度测量。为此,我们研制了一种响应速度快的超小型热电偶,实验结果表明可以取得满意的效果。

　　1　分析

　　将温度传感器置于介质中,介质以对流传热方式向温度传感器加热,传感器将吸收此种加热量,使得传感器的温度升高。介质对传感器的加热量应该等于传感器所吸收而积蓄的热量,这是一个热平衡关系。

　　可以考察到,在dt时间内,周围介质以对流传热方式给温度传感器加热(不计热辐射传热和热传导传热)。

　　设介质给温度传感器加入的热量为Q,有

　　式(1)中,α为对流传热系数;S为温度传感器的总表面积;Tα为温度传感器周围介质的温度;Tj为温度传感器的温度示值。

　　假设加热过程是一个理想过程,也就是此时加给温度传感器的热量Q全部被温度传感器所吸收,而变为温度传感器所积蓄的能量,表现为温度表示值升高。

　　设温度传感器所积蓄的能量为E,则

　　式(2)中,m为温度传感器的质量; c为温度传感器的比热; dTj为温度传感器温度示值的增量。

　　按照热平衡原理,给温度传感器加入的热量Q等于温度传感器的积蓄能量E,即有

　　τ的量纲是(s)。温度传感器的时间常数τ愈小,则其对动态温度的响应愈快,时间滞后愈小;反之其对动态温度的响应愈慢,时间滞后愈大。

　　那么,有哪些因素影响时间常数τ的大小呢?从时间常数的定义式(3)不难看出,温度传感器的质量m,及其比热c愈小,则时间常数τ就愈小。但温度传感器的材料一经选定(如已经选定某型热电偶),则其比热c就已既定,不能改变。但温度传感器的质量m是可以改变的,如选定某型热电偶,就可以尽量减少热电偶丝的直径,并且在热接点焊接的时候,不要将其焊成圆球形,而是焊成对接形。再考察到式(3)的分母项,即“αS”项。如果使分母项增大,则时间常数τ也会变小。其中α是对流传热系数。只要使流经温度传感器(如热电偶的热接点)的局部气流流速增加或加强气流的扰动,便可能使对流传热系数α增大。S是温度传感器表面积,若增大表面积S,也可减小时间常数τ。如要求增加表面积的同时,又不要增加质量,这只能在温度传感器的形状上想办法。如将圆柱形的热电偶热接点压成扁方形,便可增大表面积S。