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熱電偶(溫度探針)及其動態校正

發布時間:2017-11-22

引言

離心壓縮機基本級的試驗研究中,為了測量基本級的氣動性能或級的某截面流場,溫度是重要的測量參數之一。然而要準確的進行壓縮機模型級的測量,首先必須有精確的測量儀表。熱電偶屬于一次儀表,多年來在離心壓縮機基本級測量中得到了廣泛的應用。

1熱電偶原理

熱電偶是基于當兩種不同的導體兩端接合成回路時,由于兩接合點溫度之不同會在回路內產生熱電偶的物理現象。如果熱電偶的工作端與自由端存在溫度差時,二次儀表將會指示出熱電偶所產生的熱電勢。熱電偶的熱電勢隨著溫度端溫度的升高而增長。它的大小與熱電極的長度、直徑無關,與熱電偶材料和熱電偶兩端的溫度有關。

2熱電偶接點受到的熱交換

浸在氣流中的熱電偶接點溫度T,j一般情況下不等于氣流的總溫Tg。溫度受感部測點的示值是各種熱交換方式之間熱平衡的結果。

在穩定狀態下

式中dq對流―――氣流對電偶接點附面層的對流換熱率

dq輻射―――電偶對周圍物體的輻射換熱率

dq傳導―――沿偶絲的熱傳導率

dq附面―――電偶周圍附面層中動能轉換為熱能的熱流率

dq表―――電偶接點表面化學反應導致電偶的吸熱率

dq氣輻―――氣體對熱電偶的熱輻射換熱率

熱電偶接點受到的熱交換見(圖1)

3熱電偶的動態校正

考慮到熱電偶接點受到的熱交換,對壓縮機基本級試驗用熱電偶,為了保證其測量精度,除了從其結構及偶絲的選取等方面采取措施外,在使用前均應進行熱電偶靜態校正,對于氣流速度大于一定值時,還要進行熱電偶的動態校正。目的是考慮熱電偶周圍附面層中存在著動能轉換為熱能的變換過程,確定熱電偶的總溫恢復系數。

根據有關公式計算,當0<氣流速度<30 m/s,假定溫升ΔT=30℃,熱電偶的溫度恢復系數γ=90%,若不進行動態校正,則其溫度測量的相對誤差為0.14%;當30<氣流速度<60 m/s,假定溫升ΔT=30℃,熱電偶的溫度恢復系數γ=90%,若不進行動態校正,則其溫度測量的相對誤差為0.59%。由此可見,當氣流速度>60 m/s時,對所使用的熱電偶必須進行動態校正,以便求得氣流的真實總溫。

4熱電偶的動態校正方法

校正目的是確定熱電偶的溫度恢復系數:

式中Tind―――被校熱電偶測量的絕對溫度,K

Tocp―――3支標準熱電偶平均絕對總溫,K

Ts―――校正截面的絕對靜溫,K

(1)熱電偶的動態校正在校正風洞進行熱電偶動態校正系統,見圖2。

在穩定段r-r截面放置3支標準熱電偶,測量總溫, e-e截面壁面開孔測量總壓(因為此截面流速很低)。

在校正截面o-o壁面開孔測量該截面靜壓,放置一支標準總壓探針,測量該截面總壓。放置一支被校熱電偶。

總壓探針及熱電偶的受感部均在各截面的氣流核心區內。

(2)熱電偶動態校正是在不同的馬赫數下進行的,調節風源轉速或調節門開度,在不同馬赫數下測量參數為

tind―――校正截面測量溫度,℃

tocp―――穩壓段3支標準熱電偶測量的平均總溫,℃

ΔPt―――穩定段的相對總壓,Pa

ΔP―――穩定段總壓與校正截面靜壓之差,Pa

Ptr-Ptr′―――穩定段總壓與校正截面總壓之差,Pa

Pa―――大氣壓,Pa

(3)計算不同馬赫數下的溫度恢復系數

由于一般校正段的截面很小,在此截面同時安裝總壓探針會造成阻塞,可通過校正風洞的總壓修正系數φ,計算得到總壓Ptr′。

熱電偶動態校正前先作出φ=f[(Ptr-Ps) /Ptr]曲線

熱電偶動態校正時,可不測Ptr-Ptr′,在不同馬赫數下可測得Ptr和Ps,由公式(11)算出Ptr′

再將Ptr′代入公式(6),由公式(8)可算出恢復系數γ。

最后可畫出曲線,以備壓縮機基本級測量時求出真實的總溫。

5結論

綜上所述,熱電偶的總溫恢復系數隨著氣流馬赫數的變化而變化。通常要求熱電偶的總溫恢復系數高而穩定,對氣流角的不靈敏度大,所以最好選用具有屏蔽罩的熱電偶。所用熱電偶應預先在校正風洞上進行動態校正,并且被校熱電偶應在用于基本級測量的馬赫數下進行校正,以保證模型級的測量精度。

摘自:中國計量測控網


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