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熱電偶布置方式對測溫結果的影響

發(fā)布時(shí)間:2022-12-22     瀏覽次數:
摘要:利用熱電偶并聯(lián)理論,對不均勻溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。利用數據采集板PCL-818HG對熱電偶的熱電勢信號進(jìn)行處理,用VisualBasi:編寫(xiě)控制程序,實(shí)現了溫度信號的數字化采集和顯示。分析了準穩態(tài)法測導熱系數實(shí)驗過(guò)程,在熱源相互干擾的不均勻溫度場(chǎng)條件下,比較多支熱電偶單點(diǎn)布置方式與并聯(lián)布置方式的優(yōu)缺點(diǎn),得出了利用熱電偶并聯(lián)對不均勻溫度場(chǎng)測量的參考式,并對該實(shí)驗進(jìn)行了改進(jìn)。
1引言
  在用準穩態(tài)法測平板導熱系數的傳熱實(shí)驗中心2,實(shí)驗平板上下表面的中心各布置了一對熱電偶,在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現平板表面溫度是不均勻的,使得測量計算的結果誤差較大??刹捎枚帱c(diǎn)測量并取平均值的方法來(lái)改進(jìn)。為進(jìn)一步減少多點(diǎn)測量占用通道數目過(guò)多的弊端,可將多對熱電偶并聯(lián),既能提高測量的精度,又能避免占用通道過(guò)多的矛盾,效果明顯。
2溫度信號的數字化采集系統.
  溫度測量使用自制的T型熱電偶,線(xiàn)徑為0.2mm,并進(jìn)行了標定。數采板采用PCL-818HG,通過(guò)硬件設置使其16個(gè)單通道工作在差模狀態(tài)下3。利用VisualBasie語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序同時(shí)顯.示8組數據,并且能夠實(shí)現數據的記錄以及采樣頻率的設置。程序可以對8個(gè)通道進(jìn)行實(shí)時(shí)數據監控,并將采集到的數據轉換成溫度信號。程序啟動(dòng)后,隨即生成一個(gè)txt文件,溫度數據被保存在該文件下,便于數據處理。
3單點(diǎn)與并聯(lián)布置方式的測溫結果分析
  在厚度為0.015m的正方形平板實(shí)驗塊表面,等面積地布置6對熱電偶,當溫度場(chǎng)達到平衡狀態(tài)時(shí),測量出這6個(gè)點(diǎn)的溫度,而這6對熱電偶所產(chǎn)生的平均熱電勢Ep可視為基準值,因為Ep可以看作相對高一級儀表測量得到的值,可看作真值(也稱(chēng)相對真值)。以這6對熱電偶為中心將正方形實(shí)驗塊平分為6個(gè)正方形小面積作為微分單元,截面.上的平均熱電勢Ep為國:
 
  其中Ei是指第i個(gè)熱電偶m次測量的平均熱電勢;Si是指第i個(gè)熱電偶所占的正方形小格面積;S是指整個(gè)平板的面積。據公式(1),計算上述單點(diǎn)布置條件下溫度的平均值以及平均溫差和導熱系數的值。對于第i支獨立的熱電偶,測量m次,再求出其平均熱電勢:
 
  在PC機上運行采集程序,將采樣頻率設置成為30s通過(guò)實(shí)驗測得數據并利用上述理論計算,得出曲線(xiàn)如圖1所示
 
  可以看出,隨著(zhù)時(shí)間的推移,溫度場(chǎng)的不均勻程度在逐漸增加。這樣不同的點(diǎn)計算出的物體的導熱系數肯定會(huì )有差異,為減小這種差異,可計算表面的平均溫度。利用上述理論計算方法,運用微分的思想,來(lái)計算表面上的平均溫度,如圖2所示。同時(shí),布置6個(gè)并聯(lián)熱電偶繼續從頭開(kāi)始測量,電源為50V,平板及加熱器初始溫度為室溫,數據采集板的采樣頻率設置為30$初始溫度相同時(shí)開(kāi)始記錄新數據,保持初始過(guò)余溫度相同,測量結果也一并繪制在圖2中。
 
  由以上數據可以得出如下結論:(1)熱電偶并聯(lián)值與單點(diǎn)溫度平均值基本吻合;(2)在一定溫度范圍內溫度場(chǎng)的平均值是并聯(lián)值的線(xiàn)性函數;(3)通過(guò)實(shí)驗證明,并聯(lián)熱電偶可以準確測量不均勻溫度場(chǎng)的平均溫度,與理論相吻合。
4理論應用
  先做單點(diǎn)布置條件下,平板上下表面平均布置各3支熱電偶,在50V電源、2個(gè)對稱(chēng)布置的加熱器條件下,分別測量各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化值,并利,用傅里葉導熱定律計算導熱系數,上下表面各點(diǎn)溫差及導熱系數如圖3圖4所示。
 
  由圖3及圖4可以清晰地看出,多支單點(diǎn)布置熱電偶條件下,各點(diǎn)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的差異是很大的,這樣計算出的導熱系數也有較大的誤差。所以在.這樣的實(shí)驗條件下得出的導熱系數具有很大的不可靠性,需要改進(jìn)實(shí)驗條件或實(shí)驗方法來(lái)準確測量。
 
  將以上并聯(lián)測量不均勻溫度場(chǎng)理論和實(shí)驗結果應用到準穩態(tài)法測物體熱物性實(shí)驗,同樣,保證與上述單點(diǎn)條件下初始條件相同:實(shí)驗所需要的電源相同,所測平板及平板上熱電偶布置的位置不變。
平板上下表面平均布置各3支熱電偶,得到上下表面的溫差隨時(shí)間變化的關(guān)系,如圖5所示。
 
  忽略通過(guò)平板側面即垂直于厚度方向的熱量損失,假設平板熱流密度是按厚度方向傳遞的,利用傅里葉導熱定律,計算導熱系數,測得平板厚度為0.015m,功率為25W,單側熱流密度為12.5W,測得平板導熱系數如圖6所示。
 
  測量數據顯示,隨時(shí)間變化導熱系數趨近于一個(gè)穩定值,即驗證了并聯(lián)熱電偶在不均勻溫度場(chǎng)條件下能夠準確計算出平板的導熱系數。實(shí)驗室里準穩態(tài)測熱物性實(shí)驗只是在平板上下表面的中心各布置了一支熱電偶,由圖1可以看出,平板表面各點(diǎn)溫度的不均勻性隨時(shí)間增加而增大,所以計算出的導熱系數誤差較大;采用并聯(lián)熱電偶來(lái)做實(shí)驗,則可以得到較為準確的實(shí)驗結果,而且也解決了由于增加了熱電偶而占據通道數的矛盾,大大提高了實(shí)驗的可靠性。
5結論
(1)基于PCL-818HG的溫度采集系統應用廣泛。編寫(xiě)的程序可以采集不同范圍的電壓信號,不僅可以通過(guò)熱電偶溫度傳感器來(lái)測量溫度信號,還可以在不同傳感器下測量諸如壓力、密度、高度、位置等信號。
(2)主要針對不均勻溫度場(chǎng),通過(guò)熱電偶的并聯(lián)方式來(lái)獲得該溫度場(chǎng)的平均溫度。在此基礎上,確定該材料的導熱系數,進(jìn)而進(jìn)行各種熱.工計算和實(shí)驗研究。
(3)測得的數據及擬合出的并聯(lián)值與單點(diǎn)平均值的線(xiàn)性關(guān)系,對于直徑為1mm左右的銅-康銅熱電偶有普遍的適用性。
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