浅析阶跃温度及水流速度对金属管浮子流量计的影响

    摘　要 在搭建的金属管浮子流量计热响应时间测试实验台上，选用热响应时间不同的金属管浮子流量计温 度计作为被测对象，测试了在不同水温及不同水流速度时金属管浮子流量计的热响应时间。数据表明： 阶跃温度及水流速度对金属管浮子流量计的热响应时间确有影响，其中阶跃温度对铂热电阻热响应时 间的影响很小，流速对热响应时间较大的铂热电阻有明显影响，对热响应时间较小的铂热电阻的影 响很小。

 

    引言

    金属管浮子流量计作为接触式测温的传感器在各行各业中得到广泛的应用。金属管浮子流量计在测量变化较快的流体温度时，一般不能立刻反映被测温度，需要一定时间后才能达到热平衡状态 [1]。文献 [1]中还提到，常用温度传感器对阶跃温度的响应来描述其动态响应特性，其中主要的指标就是热响应时间。金属管浮子流量计热响应时间是指铂热电阻响应一个温度阶跃变化，到达规定的百分比所需的时间，达到阶跃量的 10%、50%、90% 的热响应时间记作τ0.1、τ0.5、τ0.9[2],[3]，通常使用比较多的是 τ0.632。金属管浮子流量计热响应时间是一个至关重要的参数。蒋鹏等 [4] 在文章中分析了 Pt100 自身封装结构及性能、测试方法等对热响应时间的影响。周绍志等 [5] 在文章中分析了铂电阻温度传感器在封装过程中影响响应时间的因素。单战虎 [6] 在文章中分析了铂电阻纯度、被测介质运动黏度对铂电阻响应时间的影响。董斌等 [7] 在文章中分析了在动态测温中温度计的热响应时间对测量的影响。近年来，随着中国核电产业的发展以及“华龙一号”中国三代核电技术独立自主研发的逐步成熟，热响应时间的测试也已成为核级铂热电阻全性能鉴定试验中的重要一项。

 

    选用两支热响应时间不同的 AA 级金属管浮子流量计温度计 1#、2# 作为被测对象，搭建了金属管浮子流量计热响应时间测试实验台，如图 1 所示。测试了在30 ℃、50 ℃、70 ℃水温及 0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s水流速度时 1#、2# 铂热电阻的热响应时间，并对结果进行了分析。

 

    1　实验台组成

    铂热电阻热响应时间测试实验台主要由以下几部分组成：

 

    1）恒温水槽：恒温水槽温度波动度及均匀度已校，满足实验要求；恒温水槽的设计直径满足“水流流道宽度不小于被校传感器直径的 10 倍”的要求；恒温水槽内配有变频水泵，水由特殊设计的射流器射出，水槽底部吸入，从而可使水槽内的水旋转，设计水流旋转速度可达 0.4 ~1.0 m/s。

 

    2）传感器动态响应接线箱可接铂热电阻和热电偶。将被测传感器的温度信号转化为 1~5 V 电压信号，输出到示波器中。

 

    3）示波器：接收电信号，实时显示输入电压的变化，通过图形分析，计算出金属管浮子流量计热响应时间。

 

    4）微型多普勒流速仪：测试水流流速，使用时流速仪探头与水流方向一致，测试杆与水流方向垂直。

 

 

    2　测试原理

    将金属管浮子流量计固定在支架上，在环境中充分静置，恒温水槽内的水温和流速达到预定值。利用多普勒流速仪测量水流旋转速度后，被检金属管浮子流量计入水位置与多普勒流速仪测量位置一致。示波器启动信号记录，机械臂将金属管浮子流量计迅速置入水中，遇水瞬间，触发信号启动，作为响应时间的起始计算点。示波器记录电压曲线，待金属管浮子流量计测试温度与恒温水槽温度达到平衡，记录停止。分析曲线，测出铂热电阻热响应时间。每种工况测量三次，热响应时间的重复性在 10% 以内时数据有效，否则重新测量。

 

    图 2 给出了 1# 金属管浮子流量计在 70 ℃水温、0.6 m/s 流速时示波器显示图形的界面，其余测试点类似。

 

 

 

    3　测试数据分析

    表 1 和表 2 给出了 1# 和 2# 铂热电阻在不同水流速度和不同水温下的热响应时间的数据。

 

 

 

    图 3~ 图 5 给出了 30 ℃、50 ℃、70 ℃不同水温时，1#、2# 铂热电阻热响应时间随水流速度变化而变化的情况。

 

    可以发现，对 1# 铂热电阻而言，在相同水温时，热响应时间随流速的增大呈现降低的规律，以 30 ℃为例，水流速度 0.6 m/s 时，1# 铂热电阻热响应时间为 6.6 s，水流速度 0.8 m/s 时，热响应时间为 5.5 s，比水流速度 0.6 m/s 时热响应时间降低了 16.7%；水流速度 1.0 m/s 时，热响应时间为 5.5 s，比水流速度0.6 m/s 时热响应时间降低了 22.7%，下降幅度是很明显的。在水温 50 ℃和 70 ℃时，具有相似的规律性。50 ℃水温时，1# 铂热电阻在水流速度 1.0 m/s 时的热响应时间比水流速度 0.6 m/s 时的热响应时间降低了 20.0%；70 ℃水温时，则降低了 17.5%。

 

    不同的是，对 2# 铂热电阻而言，水流速度对其热响应时间的影响是不明显的，甚至可以说是几乎没什么影响的。水温 30 ℃和 70 ℃时，热响应时间均为 2.6 s，热响应时间没有随流速的增大而变化。而在 50 ℃水温时，热响应时间随流速的增大反而呈现了少许增大的情况。水流速度 1.0 m/s 时的热响应时间比水流速度 0.6 m/s 时增加了 8.0%。

 

 

    图 6- 图 9 给出了 0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s 水流速度时 1#、2# 铂热电阻热响应时间随水温变化而变化的情况。

 

5555555555555555555555

 

    可以发现，随着水温由 30 ℃增加至 70 ℃，1#、2# 铂热电阻热响应时间的变化是微小的。对 1# 铂热电阻而言，在水流速度 0.6 m/s，30 ℃水温时热响应时间为 6.6 s，50 ℃水温时热响应时间为 6.5 s，比30 ℃水温时降低了 1.5%；70 ℃水温时热响应时间为 6.3s，比 30℃水温时降低了 4.5%；在水流速度0.8 m/s，70℃水温时热响应时间比 30 ℃水温时降低了 1.8%；在水流速度 1.0 m/s，70 ℃水温时热响应时间比 30 ℃水温时降低了 2.0%；

 

     对 2# 铂热电阻而言，热响应时间都集中在 2.6 s附近，在水流速度 0.6 m/s，50 ℃水温时热响应时间比 30 ℃水温时降低了 3.8%；在水流速度 1.0 m/s，50 ℃水温时热响应时间比 30 ℃水温时增加了 3.8%。

 

    可以认为，两支铂热电阻热响应时间受水流速度影响的规律是不同的，说明了在分析水流速度这一影响量时，铂电阻的结构也是需要考量的一个重要因素。

 

    4　结语

    文章分析了阶跃温度和水流速度对金属管浮子流量计温度计热响应时间的影响规律。对热响应时间较大的 1# 铂热电阻，水流速度增大，热响应时间下降明显，1.0 m/s 水流速度时热响应时间比 0.6 m/s 时下降了接近 20%。而对热响应时间较小的 2# 铂热电阻，水流速度增大，热响应时间的变化甚微。说明，水流速度的增大并不一定意味着热响应时间的下降，这与通常的认知：流速增大换热增强导致热响应时间的降低是不一致的。铂热电阻的结构是影响着其本身的热响应时间和热响应时间的变化规律的。从实验发现，温度阶跃对铂热电阻热响应时间的影响不大。

 

    文章搭建了热响应时间测试实验台，对温度阶跃和水流速度对铂热电阻热响应时间的影响规律进行了初步的探索。在接下来的工作中，会逐步增加测试工况和铂热电阻数量，探索并拟合出不同种类铂热电阻热响应时间与水流速度的函数关系。以便了解铂热电阻在每一流速点的热响应时间情况。在后续的工作中，还可以开展 LCSR 法测得的热响应时间与置入法测得的热响应时间的比较研究。