在工業(yè)化迅速發(fā)展的大時(shí)代，缺少不了壓力變送器、流量計(jì)、液位計(jì)、密度計(jì)、差壓變送器等儀表把現(xiàn)場(chǎng)第一數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)上，為整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)充當(dāng)控制、檢測(cè)等一系列的眼睛，接下來(lái)華恒儀表為您解讀工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最前沿的壓力變送器使用情況。

　　摘　要在搭建的金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，選用熱響應(yīng)時(shí)間不同的金屬管浮子流量計(jì)溫度計(jì)作為被測(cè)對(duì)象，測(cè)試了在不同水溫及不同水流速度時(shí)金屬管浮子流量計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間。數(shù)據(jù)表明：階躍溫度及水流速度對(duì)金屬管浮子流量計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間確有影響，其中階躍溫度對(duì)鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的影響很小，流速對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間較大的鉑熱電阻有明顯影響，對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間較小的鉑熱電阻的影響很小。

　　引言

　　金屬管浮子流量計(jì)作為接觸式測(cè)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(jì)在測(cè)量變化較快的流體溫度時(shí)，一般不能立刻反映被測(cè)溫度，需要一定時(shí)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(duì)階躍溫度的響應(yīng)來(lái)描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其中主要的指標(biāo)就是熱響應(yīng)時(shí)間。金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間是指鉑熱電阻響應(yīng)一個(gè)溫度階躍變化，到達(dá)規(guī)定的百分比所需的時(shí)間，達(dá)到階躍量的10%、50%、90%的熱響應(yīng)時(shí)間記作0.1、0.5、0.9[2],[3]，通常使用比較多的是0.632。金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)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(cè)試方法等對(duì)熱響應(yīng)時(shí)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(guò)程中影響響應(yīng)時(shí)間的因素。單戰(zhàn)虎[6]在文章中分析了鉑電阻純度、被測(cè)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)鉑電阻響應(yīng)時(shí)間的影響。董斌等[7]在文章中分析了在動(dòng)態(tài)測(cè)溫中溫度計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間對(duì)測(cè)量的影響。近年來(lái)，隨著中國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及華龍一號(hào)中國(guó)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(shí)間的測(cè)試也已成為核級(jí)鉑熱電阻全性能鑒定試驗(yàn)中的重要一項(xiàng)。

　　選用兩支熱響應(yīng)時(shí)間不同的AA級(jí)金屬管浮子流量計(jì)溫度計(jì)1#、2#作為被測(cè)對(duì)象，搭建了金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。測(cè)試了在30℃、50℃、70℃水溫及0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s水流速度時(shí)1#、2#鉑熱電阻的熱響應(yīng)時(shí)間，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

　　1　實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

　　鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由以下幾部分組成：

　　1）恒溫水槽：恒溫水槽溫度波動(dòng)度及均勻度已校，滿足實(shí)驗(yàn)要求；恒溫水槽的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)水流旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)0.4~1.0m/s。

　　2）傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)接線箱可接鉑熱電阻和熱電偶。將被測(cè)傳感器的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為1~5V電壓信號(hào)，輸出到示波器中。

　　3）示波器：接收電信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示輸入電壓的變化，通過(guò)圖形分析，計(jì)算出金屬管浮子流量計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間。

　　4）微型多普勒流速儀：測(cè)試水流流速，使用時(shí)流速儀探頭與水流方向一致，測(cè)試桿與水流方向垂直。

　　2　測(cè)試原理

　　將金屬管浮子流量計(jì)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(cè)量水流旋轉(zhuǎn)速度后，被檢金屬管浮子流量計(jì)入水位置與多普勒流速儀測(cè)量位置一致。示波器啟動(dòng)信號(hào)記錄，機(jī)械臂將金屬管浮子流量計(jì)迅速置入水中，遇水瞬間，觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)，作為響應(yīng)時(shí)間的起始計(jì)算點(diǎn)。示波器記錄電壓曲線，待金屬管浮子流量計(jì)測(cè)試溫度與恒溫水槽溫度達(dá)到平衡，記錄停止。分析曲線，測(cè)出鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間。每種工況測(cè)量三次，熱響應(yīng)時(shí)間的重復(fù)性在10%以內(nèi)時(shí)數(shù)據(jù)有效，否則重新測(cè)量。

　　圖2給出了1#金屬管浮子流量計(jì)在70℃水溫、0.6m/s流速時(shí)示波器顯示圖形的界面，其余測(cè)試點(diǎn)類似。

　　3　測(cè)試數(shù)據(jù)分析

　　表1和表2給出了1#和2#鉑熱電阻在不同水流速度和不同水溫下的熱響應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)。

　　圖3~圖5給出了30℃、50℃、70℃不同水溫時(shí)，1#、2#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間隨水流速度變化而變化的情況。

　　可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)1#鉑熱電阻而言，在相同水溫時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間隨流速的增大呈現(xiàn)降低的規(guī)律，以30℃為例，水流速度0.6m/s時(shí)，1#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間為6.6s，水流速度0.8m/s時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間為5.5s，比水流速度0.6m/s時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間降低了16.7%；水流速度1.0m/s時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間為5.5s，比水流速度0.6m/s時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間降低了22.7%，下降幅度是很明顯的。在水溫50℃和70℃時(shí)，具有相似的規(guī)律性。50℃水溫時(shí)，1#鉑熱電阻在水流速度1.0m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間比水流速度0.6m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間降低了20.0%；70℃水溫時(shí)，則降低了17.5%。

　　不同的是，對(duì)2#鉑熱電阻而言，水流速度對(duì)其熱響應(yīng)時(shí)間的影響是不明顯的，甚至可以說(shuō)是幾乎沒(méi)什么影響的。水溫30℃和70℃時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間均為2.6s，熱響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有隨流速的增大而變化。而在50℃水溫時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間隨流速的增大反而呈現(xiàn)了少許增大的情況。水流速度1.0m/s時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間比水流速度0.6m/s時(shí)增加了8.0%。

　　圖6-圖9給出了0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s水流速度時(shí)1#、2#鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間隨水溫變化而變化的情況。

　　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(shí)間的變化是微小的。對(duì)1#鉑熱電阻而言，在水流速度0.6m/s，30℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為6.6s，50℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為6.5s，比30℃水溫時(shí)降低了1.5%；70℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間為6.3s，比30℃水溫時(shí)降低了4.5%；在水流速度0.8m/s，70℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)降低了1.8%；在水流速度1.0m/s，70℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)降低了2.0%；

　　對(duì)2#鉑熱電阻而言，熱響應(yīng)時(shí)間都集中在2.6s附近，在水流速度0.6m/s，50℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)降低了3.8%；在水流速度1.0m/s，50℃水溫時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比30℃水溫時(shí)增加了3.8%。

　　可以認(rèn)為，兩支鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間受水流速度影響的規(guī)律是不同的，說(shuō)明了在分析水流速度這一影響量時(shí)，鉑電阻的結(jié)構(gòu)也是需要考量的一個(gè)重要因素。

　　4　結(jié)語(yǔ)

　　文章分析了階躍溫度和水流速度對(duì)金屬管浮子流量計(jì)溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律。對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間較大的1#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)時(shí)間下降明顯，1.0m/s水流速度時(shí)熱響應(yīng)時(shí)間比0.6m/s時(shí)下降了接近20%。而對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間較小的2#鉑熱電阻，水流速度增大，熱響應(yīng)時(shí)間的變化甚微。說(shuō)明，水流速度的增大并不一定意味著熱響應(yīng)時(shí)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(shí)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(shí)間和熱響應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律的。從實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度階躍對(duì)鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的影響不大。

　　文章搭建了熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)溫度階躍和水流速度對(duì)鉑熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律進(jìn)行了初步的探索。在接下來(lái)的工作中，會(huì)逐步增加測(cè)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(shí)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(shí)間情況。在后續(xù)的工作中，還可以開(kāi)展LCSR法測(cè)得的熱響應(yīng)時(shí)間與置入法測(cè)得的熱響應(yīng)時(shí)間的比較研究。

　　儀器儀表是工業(yè)化進(jìn)程的基石，只有選用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動(dòng)化流程才能夠更加自動(dòng)化。