熱電偶布置方式對測溫結(jié)果的影響

摘要:利用熱電偶并聯(lián)理論，對不均勻溫度場進行了分析。利用數(shù)據(jù)采集板PCL-818HG對熱電偶的熱電勢信號進行處理,用VisualBasi:編寫控制程序，實現(xiàn)了溫度信號的數(shù)字化采集和顯示。分析了準穩(wěn)態(tài)法測導熱系數(shù)實驗過程，在熱源相互干擾的不均勻溫度場條件下，比較多支熱電偶單點布置方式與并聯(lián)布置方式的優(yōu)缺點，得出了利用熱電偶并聯(lián)對不均勻溫度場測量的參考式，并對該實驗進行了改進。
1引言
　　在用準穩(wěn)態(tài)法測平板導熱系數(shù)的傳熱實驗中心2，實驗平板上下表面的中心各布置了一對熱電偶，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)平板表面溫度是不均勻的，使得測量計算的結(jié)果誤差較大。可采用多點測量并取平均值的方法來改進。為進一步減少多點測量占用通道數(shù)目過多的弊端，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多的矛盾，效果明顯。
2溫度信號的數(shù)字化采集系統(tǒng).
　　溫度測量使用自制的T型熱電偶，線徑為0.2mm,并進行了標定。數(shù)采板采用PCL-818HG,通過硬件設置使其16個單通道工作在差模狀態(tài)下3。利用VisualBasie語言編寫控制程序同時顯.示8組數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄以及采樣頻率的設置。程序可以對8個通道進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度信號。程序啟動后，隨即生成一個txt文件，溫度數(shù)據(jù)被保存在該文件下，便于數(shù)據(jù)處理。
3單點與并聯(lián)布置方式的測溫結(jié)果分析
　　在厚度為0.015m的正方形平板實驗塊表面,等面積地布置6對熱電偶，當溫度場達到平衡狀態(tài)時，測量出這6個點的溫度，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(也稱相對真值)。以這6對熱電偶為中心將正方形實驗塊平分為6個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個熱電偶m次測量的平均熱電勢;Si是指第i個熱電偶所占的正方形小格面積;S是指整個平板的面積。據(jù)公式(1)，計算上述單點布置條件下溫度的平均值以及平均溫差和導熱系數(shù)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通過實驗測得數(shù)據(jù)并利用上述理論計算,得出曲線如圖1所示
 
　　可以看出，隨著時間的推移，溫度場的不均勻程度在逐漸增加。這樣不同的點計算出的物體的導熱系數(shù)肯定會有差異，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，來計算表面上的平均溫度，如圖2所示。同時，布置6個并聯(lián)熱電偶繼續(xù)從頭開始測量，電源為50V，平板及加熱器初始溫度為室溫，數(shù)據(jù)采集板的采樣頻率設置為30$初始溫度相同時開始記錄新數(shù)據(jù)，保持初始過余溫度相同，測量結(jié)果也一并繪制在圖2中。
 
　　由以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論:(1)熱電偶并聯(lián)值與單點溫度平均值基本吻合;(2)在一定溫度范圍內(nèi)溫度場的平均值是并聯(lián)值的線性函數(shù);(3)通過實驗證明，并聯(lián)熱電偶可以準確測量不均勻溫度場的平均溫度，與理論相吻合。
4理論應用
　　先做單點布置條件下，平板上下表面平均布置各3支熱電偶，在50V電源、2個對稱布置的加熱器條件下，分別測量各點溫度隨時間變化值，并利，用傅里葉導熱定律計算導熱系數(shù)，上下表面各點溫差及導熱系數(shù)如圖3圖4所示。
 
　　由圖3及圖4可以清晰地看出，多支單點布置熱電偶條件下，各點溫度場隨時間變化的差異是很大的，這樣計算出的導熱系數(shù)也有較大的誤差。所以在.這樣的實驗條件下得出的導熱系數(shù)具有很大的不可靠性，需要改進實驗條件或?qū)嶒灧椒▉頊蚀_測量。
 
　　將以上并聯(lián)測量不均勻溫度場理論和實驗結(jié)果應用到準穩(wěn)態(tài)法測物體熱物性實驗，同樣，保證與上述單點條件下初始條件相同:實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間變化的關(guān)系，如圖5所示。
 
　　忽略通過平板側(cè)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(shù),測得平板厚度為0.015m，功率為25W，單側(cè)熱流密度為12.5W,測得平板導熱系數(shù)如圖6所示。
 
　　測量數(shù)據(jù)顯示，隨時間變化導熱系數(shù)趨近于一個穩(wěn)定值，即驗證了并聯(lián)熱電偶在不均勻溫度場條件下能夠準確計算出平板的導熱系數(shù)。實驗室里準穩(wěn)態(tài)測熱物性實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，平板表面各點溫度的不均勻性隨時間增加而增大，所以計算出的導熱系數(shù)誤差較大;采用并聯(lián)熱電偶來做實驗，則可以得到較為準確的實驗結(jié)果，而且也解決了由于增加了熱電偶而占據(jù)通道數(shù)的矛盾,大大提高了實驗的可靠性。
5結(jié)論
(1)基于PCL-818HG的溫度采集系統(tǒng)應用廣泛。編寫的程序可以采集不同范圍的電壓信號，不僅可以通過熱電偶溫度傳感器來測量溫度信號，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，通過熱電偶的并聯(lián)方式來獲得該溫度場的平均溫度。在此基礎(chǔ)上，確定該材料的導熱系數(shù)，進而進行各種熱.工計算和實驗研究。
(3)測得的數(shù)據(jù)及擬合出的并聯(lián)值與單點平均值的線性關(guān)系，對于直徑為1mm左右的銅-康銅熱電偶有普遍的適用性。