流水式量热计温度测量技术研究

1 引 言

    流水式量热计作为一种新技术的产物有着很广泛的应用前景，尤其是在测量较高的注入能量时具有其它量热计无法替代的众多优点，首先由于水具有流动性，已经加热了的水会迅速被周围的冷水所置换，因此它具有更高的损伤阈值^[1-2]； 其次由于水具有较高的热容量，只需要少量的水就可以达到吸收能量和冷却吸收体的效果，因此能量计体积可以做的较为小巧。然而它也存在一个较大的缺点，当注 入的功率发生改变时，水温也会随之快速变化，而温度传感器都是积分型，响应速度较慢，这给温度的测量带来了极大的困难，如何解决这种慢响应传感器与快速变 化信号之间的矛盾成为研究的核心问题之一。

2 流水式量热计测量原理与方法

    流水式量热计实际上是将水作为注入能量转移和计量的载体。当某种形式的能量（包括光能、微波能、热能或者其它形式的能量）注入到量热计的吸收体上时，能量被吸收腔吸收转换成腔体的热能

^[3]，与此同时水流过其表面，由于水温比吸收腔温度低的多，因此会与其进行热交换，吸收体上的热能会被水流带走，吸收体的温度降低，而水流的温度升高。再通过测量水流经过吸收体前后的温升来计算注入能量。其测量的原理示意图见图 1 所示。

    冷水从入水管注入到吸收腔，并与腔体进行热交换，腔内冷水被加热为热水，并从出水管中流出，安装在入水管和出水管中的温度传感器分别测量冷水和热水的温度，结合流水的流速，可以测得注入到水中的能量。如果假设冷水端的温度传感器测得的相对于0 ℃水的能量用 E₁表示，热水端测得的相对于 0℃水的能量用 E₂表示，则水温升高吸收的能量 E 可用式（1）表示^[4-6]：

式中：c 为水的比热；m₂和 m₁分别为出水端和入水端水流质量；T（m₂）和 T（m₁）分别为出水端和入水端水流温度。

    对式（1）进行离散化，同时忽略水流的温度不均和突变、相变、体积流速变化及两测温点之间的热损失的影响，可得到式（2）：

式中：E_in为注入能量；Δt 为时间间隔；ρ 为水密度；V为体积流速；ΔT_n为入水端和出水端的温差。

     式（2）中 c、ρ 为已知，Δt 可以取电路的采集时间间隔，N 可以取注入前到注入后某段时间内的总帧数，V 可由流量计测量得到，ΔT_n可由温度传感器

测量得到。