淺析階躍溫度及水流速度對金屬管浮子流量計的影響

摘　要 在搭建的金屬管浮子流量計熱響應(yīng)時間測試實驗臺上，上海自動化儀表有限公司選用熱響應(yīng)時間不同的金屬管浮子流量計溫 度計作為被測對象，測試了在不同水溫及不同水流速度時金屬管浮子流量計的熱響應(yīng)時間。數(shù)據(jù)表明： 階躍溫度及水流速度對金屬管浮子流量計的熱響應(yīng)時間確有影響，其中階躍溫度對鉑熱電阻熱響應(yīng)時 間的影響很小，流速對熱響應(yīng)時間較大的鉑熱電阻有明顯影響，對熱響應(yīng)時間較小的鉑熱電阻的影 響很小。

引言

金屬管浮子流量計作為接觸式測溫的傳感器在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。金屬管浮子流量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(dá)到熱平衡狀態(tài) [1]。文獻(xiàn) [1]中還提到，常用溫度傳感器對階躍溫度的響應(yīng)來描述其動態(tài)響應(yīng)特性，其中主要的指標(biāo)就是熱響應(yīng)時間。金屬管浮子流量計熱響應(yīng)時間是指鉑熱電阻響應(yīng)一個溫度階躍變化，到達(dá)規(guī)定的百分比所需的時間，達(dá)到階躍量的 10%、50%、90% 的熱響應(yīng)時間記作τ0.1、τ0.5、τ0.9[2],[3]，通常使用比較多的是 τ0.632。金屬管浮子流量計熱響應(yīng)時間是一個至關(guān)重要的參數(shù)。蔣鵬等 [4] 在文章中分析了 Pt100 自身封裝結(jié)構(gòu)及性能、測試方法等對熱響應(yīng)時間的影響。周紹志等 [5] 在文章中分析了鉑電阻溫度傳感器在封裝過程中影響響應(yīng)時間的因素。單戰(zhàn)虎 [6] 在文章中分析了鉑電阻純度、被測介質(zhì)運(yùn)動黏度對鉑電阻響應(yīng)時間的影響。董斌等 [7] 在文章中分析了在動態(tài)測溫中溫度計的熱響應(yīng)時間對測量的影響。近年來，隨著中國核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及“華龍一號”中國三代核電技術(shù)獨(dú)立自主研發(fā)的逐步成熟，熱響應(yīng)時間的測試也已成為核級鉑熱電阻全性能鑒定試驗中的重要一項。

選用兩支熱響應(yīng)時間不同的 AA 級金屬管浮子流量計溫度計 1#、2# 作為被測對象，搭建了金屬管浮子流量計熱響應(yīng)時間測試實驗臺，測試了在30 ℃、50 ℃、70 ℃水溫及 0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s水流速度時1#、2# 鉑熱電阻的熱響應(yīng)時間，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

1　實驗臺組成

鉑熱電阻熱響應(yīng)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(shè)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(nèi)配有變頻水泵，水由特殊設(shè)計的射流器射出，水槽底部吸入，從而可使水槽內(nèi)的水旋轉(zhuǎn)，設(shè)計水流旋轉(zhuǎn)速度可達(dá) 0.4 ~1.0 m/s。

2）傳感器動態(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)化為 1~5 V 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，計算出金屬管浮子流量計熱響應(yīng)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

將金屬管浮子流量計固定在支架上，在環(huán)境中充分靜置，恒溫水槽內(nèi)的水溫和流速達(dá)到預(yù)定值。利用多普勒流速儀測量水流旋轉(zhuǎn)速度后，被檢金屬管浮子流量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(jī)械臂將金屬管浮子流量計迅速置入水中，遇水瞬間，觸發(fā)信號啟動，作為響應(yīng)時間的起始計算點(diǎn)。示波器記錄電壓曲線，待金屬管浮子流量計測試溫度與恒溫水槽溫度達(dá)到平衡，記錄停止。分析曲線，測出鉑熱電阻熱響應(yīng)時間。每種工況測量三次，熱響應(yīng)時間的重復(fù)性在 10% 以內(nèi)時數(shù)據(jù)有效，否則重新測量。

可以發(fā)現(xiàn)，對 1# 鉑熱電阻而言，在相同水溫時，熱響應(yīng)時間隨流速的增大呈現(xiàn)降低的規(guī)律，以 30 ℃為例，水流速度 0.6 m/s 時，1# 鉑熱電阻熱響應(yīng)時間為 6.6 s，水流速度 0.8 m/s 時，熱響應(yīng)時間為 5.5 s，比水流速度 0.6m/s 時熱響應(yīng)時間降低了 16.7%；水流速度 1.0 m/s 時，熱響應(yīng)時間為 5.5 s，比水流速度0.6 m/s 時熱響應(yīng)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(guī)律性。50 ℃水溫時，1# 鉑熱電阻在水流速度 1.0 m/s 時的熱響應(yīng)時間比水流速度 0.6 m/s 時的熱響應(yīng)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(yīng)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(yīng)時間均為 2.6 s，熱響應(yīng)時間沒有隨流速的增大而變化。而在 50 ℃水溫時，熱響應(yīng)時間隨流速的增大反而呈現(xiàn)了少許增大的情況。水流速度 1.0 m/s 時的熱響應(yīng)時間比水流速度 0.6 m/s 時增加了 8.0%。

可以發(fā)現(xiàn)，隨著水溫由 30 ℃增加至 70 ℃，1#、2# 鉑熱電阻熱響應(yīng)時間的變化是微小的。對 1# 鉑熱電阻而言，在水流速度 0.6 m/s，30 ℃水溫時熱響應(yīng)時間為 6.6 s，50 ℃水溫時熱響應(yīng)時間為 6.5 s，比30 ℃水溫時降低了 1.5%；70 ℃水溫時熱響應(yīng)時間為 6.3s，比 30℃水溫時降低了 4.5%；在水流速度0.8 m/s，70℃水溫時熱響應(yīng)時間比 30 ℃水溫時降低了 1.8%；在水流速度 1.0 m/s，70 ℃水溫時熱響應(yīng)時間比 30 ℃水溫時降低了 2.0%；對 2# 鉑熱電阻而言，熱響應(yīng)時間都集中在 2.6 s附近，在水流速度 0.6 m/s，50 ℃水溫時熱響應(yīng)時間比 30 ℃水溫時降低了 3.8%；在水流速度 1.0 m/s，50 ℃水溫時熱響應(yīng)時間比 30 ℃水溫時增加了 3.8%。

可以認(rèn)為，兩支鉑熱電阻熱響應(yīng)時間受水流速度影響的規(guī)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(jié)構(gòu)也是需要考量的一個重要因素。

4　結(jié)語

文章分析了階躍溫度和水流速度對金屬管浮子流量計溫度計熱響應(yīng)時間的影響規(guī)律。對熱響應(yīng)時間較大的 1# 鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)時間下降明顯，1.0 m/s 水流速度時熱響應(yīng)時間比 0.6 m/s 時下降了接近 20%。而對熱響應(yīng)時間較小的 2# 鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)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(yīng)時間的下降，這與通常的認(rèn)知：流速增大換熱增強(qiáng)導(dǎo)致熱響應(yīng)時間的降低是不一致的。鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)是影響著其本身的熱響應(yīng)時間和熱響應(yīng)時間的變化規(guī)律的。從實驗發(fā)現(xiàn)，溫度階躍對鉑熱電阻熱響應(yīng)時間的影響不大。

文章搭建了熱響應(yīng)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(yīng)時間的影響規(guī)律進(jìn)行了初步的探索。在接下來的工作中，上海自動化儀表有限公司會逐步增加測試工況和鉑熱電阻數(shù)量，探索并擬合出不同種類鉑熱電阻熱響應(yīng)時間與水流速度的函數(shù)關(guān)系。以便了解鉑熱電阻在每一流速點(diǎn)的熱響應(yīng)時間情況。在后續(xù)的工作中，還可以開展 LCSR 法測得的熱響應(yīng)時間與置入法測得的熱響應(yīng)時間的比較研究。