第二章-点测量计算在热物理测量技术中的应用.ppt

1、第二章点接触测量技术及其在热物理测量技术中的应用,1,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,接触式点电测量在工程热物理领域有重要应用背景,工程热物理过程特征参数： 温度 压力 流量 液位、料位 气体成份 振动、速度 热流、磨损量等,2,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,电测技术的优点,测量的准确度和灵敏度高，测量范围广。 电磁仪表和电子装置的惯性小，测量的反应速度快，即具有比较宽的频率范围，不仅适用于静态测量，亦适用于测量动态过程。 能自动连续地进行测量，便于自动记录，并能根据测量结果，配合调节装置，进行自动调节和自动控制。 采用

2、微处理器做成的智能化仪器，可与微型计算机一起组成测量系统，实现数据处理、误差校正、自监视和仪器校准等功能。 可以进行远距离测量，从而能实现集中控制和遥远控制,3,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热物理参数的测量系统,一个完整的热物理参数测量系统，应包括信息的获得、转换、显示和处理几个单元,4,传感器,被测量,测量电路,电源,数据处理系统,记录仪,指示仪,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热电传感器,热电传感器是将温度变化转化为电量变化的元件 热电传感器的主要类型： 热电偶 热电阻 热敏电阻,5,动力工程硕士班2010-现代热

3、物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热电偶,热电偶在温度测量中应用极为广泛，因为它构造简单、使用方便、具有较高的准确度、温度测量范围宽等。常用的热电偶可测低温为50，高温达到1600左右。若配用特殊材料的热电极，目前可测温度范围最低到180，最高可达2800。,6,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热电效应,当热电偶的两个接点温度不同时，回路中将产生电流，称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势(塞贝克电势) 当参比端的温度T0保持恒定时，热电势是测量端温度T的函数，因此可以用热电势表示温度。 热电现象是由珀尔帖和汤姻逊两个可逆效应引起的，并伴随有焦尔热和导

4、热两个不可逆的过程。 热电势由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(场姆逊电势)两部分组成,7,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热电阻,热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性来测量温度的。 工业上被广泛地应用来测量中低温区 (-200500)的温度。 作为测温用的热电阻应具有下述要求： 电阻温度系数要尽可能大和稳定; 电阻率大; 电阻与温度变化最好成线性关系; 在整个测温范围内应具有稳定的物理和化学性质; 材料易于制取和价格便宜等。 目前应用较广泛的热电阻材料是铂和铜。,8,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,常用热电阻的电阻与温

5、度关系,9,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,工业用铂、铜电阻温度计的技术指标,10,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热电阻的结构,三线制热电阻 四线制热电阻 1不锈钢管 2热电阻 3导线 4绝缘材料,11,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,四线制热电阻测温电路,12,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。它是由某些金属氧化物主要用钻、锰、镍等的氧化物)根据产品性能不同，采用不同比例

6、的配方，经高温烧结而成的。,13,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热敏电阻的特点,具有负的温度系数，当温度升高时，电阻值明显地减小； 比纯金属的温度系数大，灵敏度高； 体积小，热惯性小，适合快速测量； 其电阻值较高，常为数百到数千欧，接入测量仪表后，导线电阻变化对测量结果的影响较小 缺点：互换性差，测温范围窄(-50300),14,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热敏电阻的温度电阻特性,热敏电阻的阻值与温度的关系不是线性的,15,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,热线（膜）风速仪,基本原理

7、： 当气体绕被加热圆柱体作强迫对流时，随着气流速度的增加，固柱体被带走的热量也增加，温度下降。流速与圆柱体温度之间有一定的依赖关系 热线风速仪的原理是建立在热平衡原理基础上的，也就是说金属丝中由温度升高所产生的热量应该等于气流所带走的热量。在热平衡过程中涉及到流速、加热电流、丝温度(或丝电阻)三个量之间一定的内在联系。这种关系可以用传热学中的准则方程：,16,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,恒温（阻）式热线风速仪的原理性电路,17,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,恒流式热线风速仪的原理性电路,18,动力工程硕士班2010-

8、现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,压力测量,电阻式应变压力传感器 电感式压力传感器 电涡流式压力传感器 电容式压力传感器 压电式传感器,19,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,电阻应变式压力传感器,丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0.0150.05mm)，平行地排成栅形(一般240条)，电阻值60200，通常为120，牢贴在曲纸片上，电阻丝两端焊有引出线，表面贴一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而变形时，应变片随之变形，通过测量电阻变化，再折

9、算出压力变化,20,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,膜片式压力变送器,21,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,组合式箔应变片,22,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,压阻式应变片,硅和锗等半导体材料在压力作用下电阻会变化 （压阻效应）,1基体 2硅片 3通压管 4硅环支座 5基体底 6导线 7绝缘管,23,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,压电式压力变送器,压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应，持压力转换为相应的电信号。经放大器、记录器而得到欲测的动态压

10、力参数。 所谓压电效应，就是物质在压力包括机械力的作用下发生变形时，其表面产生电荷 具有压电效应的物质很多，如压电晶体类有石英、酒石酸钾钠，压电陶瓷类有钛酸钡、锆钛酸铅等，日前应用最广泛的还是石英,石英压电效应,24,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,电感式压力传感器,铁芯1和衔铁2均由导磁性材料硅钢片或坡莫合金制成。衔铁和铁芯之间有空隙6，在压力作用下，衔铁随膜盒3上下运动，磁路中的气隙随之改变，使线圈的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。线圈中的电感等于单位电流所产生的磁链。,25,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,电涡

11、流传感器,由电感线圈震荡产生交变磁场，被测金属物体通过磁场时，吸收磁场能量在其内部产生电涡流，电涡流的形成将产生一个反向作用的磁场，造成线圈电感量发生改变，通过测量电感量的变化，达到测量金属物体位移、速度的目的,26,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,案例（一）循环流化床瞬态传热特性试验研究,27,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,瞬态传热研究的必要条件,能够迅速反映颗粒与受热面碰撞传热特性的一次元件 能适应高速数据采集要求的 计算机数据采集装置,28,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,镀膜式

12、热流传感器作为一次元件的优点,热容小，动态响应高 能采用温度电阻响应特性好的金属材料，制成热膜电阻 把温度和热流非电量转化为电信号，便于用计算机在线测量,29,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,选用镍金属作为镀膜材料的原因,Ni是电阻温度系数最高的金属材料之一 (0.0062-1）,电阻对温度变化比较敏感 原材料容易获得,与微晶玻璃的亲和力强，加工方便,30,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,镀膜式瞬态热流传感器示意图,侧 视 图,俯 视 图,31,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,镀膜元件的

13、电阻与温度关系,32,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,水冷壁用镀膜式瞬态传热探头,33,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,沿床深度试验用瞬态传热探头,34,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,测 量 电 路,35,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,模数转换控制流程图,36,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,瞬态传热系数计算步骤,1.计算机测量电压值 电桥输出 2.由电桥输出计算镍膜电阻值和表面温度 3.求解镀膜元件瞬态导热方程

14、求得瞬态传热系数值,37,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,瞬态传热系数计算公式,38,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,测量电路的灵敏度分析(1),定义：数据采集系统测量值对镍膜表面温度变化的反应,Sv 为放大器的放大倍数：,为镍膜的电阻-温度特性,/,为电桥特性参数,39,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,镀膜元件的动态响应数值模拟,f=100Hz,镍膜在100Hz热流下的升温曲线,40,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,镍膜、微晶玻璃基座背部在100Hz

15、热流作用下的温度响应,a.模拟外部热流 b. 镍膜温度响应 c.基座背部温度响应,41,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,镀膜元件动态响应实验测试,动态响应测试系统,42,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,转盘转动时光电管输出信号,原始信号,功率谱,结论：转盘转速为19Hz,43,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,转盘上对称开两孔时镍膜的响应,原始信号,功率谱,44,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,循环流化床冷态试验台,45,动力工程硕士班2010-现代热物

16、理测试技术,浙江大学热能工程研究所,实验用膜式壁俯视图,46,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,密相区瞬态传热系数时间序列,47,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,案例（二）镀膜式磨损传感器应用于循环流化床磨损特性试验研究,48,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,镀膜式磨损传感器示意图,49,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,测量原理,金属的厚度与电阻成反比关系,磨损量计算式：,以10m/khr，每分钟磨损量为0.0001m数量级 初始厚度为1m的磨损量为例,

17、50,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,水平埋管磨损试验,51,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,冷态循环流化床试验台示意图,52,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,水平埋管磨损试验结果,风速：2m/s 平均粒径：1.148mm 安装高度:290mm,53,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,循环流化床的各种转折角示意图,54,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,实验用模拟转折角,55,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,

18、浙江大学热能工程研究所,45转折角磨损实验结果,850mm高度，dp=0.658mm 4m/s,56,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,运行风速对转折角磨损的影响,dp=0.430mm =45,dp=0.658mm=45,57,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,颗粒直径对磨损速率的影响,运行风速3m/s =45,运行风速4m/s ,=45,58,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,转折角角度对转折角磨损的影响,运行风速3m/s dp=0.658mm,运行风速4m/s dp=0.658mm,59,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,沿床体壁面磨损试验探头布置,60,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,循环流化床各部位磨损分布测量结果,61,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,电容式传感器,平行板式电容器,利用电极之间的空隙率改变引起电容改变的热性来进行测量,62,动力工程硕士班2010-现代热物理测试技术,浙江大学热能工程研究所,电容法料位测量,电容式传感器电极结构,双电容法料位检测装置 一个电容为充满物料底参比电容 另一个为测量电容,