熱電偶布置方式對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響

摘要:利用熱電偶并聯(lián)理論，對(duì)不均勻溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。利用數(shù)據(jù)采集板PCL-818HG對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行處理,用VisualBasi:編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)了溫度信號(hào)的數(shù)字化采集和顯示。分析了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)過程，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(duì)不均勻溫度場(chǎng)測(cè)量的參考式，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。
1引言
　　在用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)平板導(dǎo)熱系數(shù)的傳熱實(shí)驗(yàn)中心2，實(shí)驗(yàn)平板上下表面的中心各布置了一對(duì)熱電偶，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)平板表面溫度是不均勻的，使得測(cè)量計(jì)算的結(jié)果誤差較大?？刹捎枚帱c(diǎn)測(cè)量并取平均值的方法來改進(jìn)。為進(jìn)一步減少多點(diǎn)測(cè)量占用通道數(shù)目過多的弊端，可將多對(duì)熱電偶并聯(lián)，既能提高測(cè)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(hào)的數(shù)字化采集系統(tǒng).
　　溫度測(cè)量使用自制的T型熱電偶，線徑為0.2mm,并進(jìn)行了標(biāo)定。數(shù)采板采用PCL-818HG,通過硬件設(shè)置使其16個(gè)單通道工作在差模狀態(tài)下3。利用VisualBasie語(yǔ)言編寫控制程序同時(shí)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(shè)置。程序可以對(duì)8個(gè)通道進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)。程序啟動(dòng)后，隨即生成一個(gè)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(diǎn)與并聯(lián)布置方式的測(cè)溫結(jié)果分析
　　在厚度為0.015m的正方形平板實(shí)驗(yàn)塊表面,等面積地布置6對(duì)熱電偶，當(dāng)溫度場(chǎng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，測(cè)量出這6個(gè)點(diǎn)的溫度，而這6對(duì)熱電偶所產(chǎn)生的平均熱電勢(shì)Ep可視為基準(zhǔn)值，因?yàn)镋p可以看作相對(duì)高一級(jí)儀表測(cè)量得到的值，可看作真值(也稱相對(duì)真值)。以這6對(duì)熱電偶為中心將正方形實(shí)驗(yàn)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(shì)Ep為國(guó):
 
　　其中Ei是指第i個(gè)熱電偶m次測(cè)量的平均熱電勢(shì);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(jù)公式(1)，計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)的值。對(duì)于第i支獨(dú)立的熱電偶，測(cè)量m次，再求出其平均熱電勢(shì):
 
　　在PC機(jī)上運(yùn)行采集程序，將采樣頻率設(shè)置成為30s通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)并利用上述理論計(jì)算,得出曲線如圖1所示
 
　　可以看出，隨著時(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(jì)算出的物體的導(dǎo)熱系數(shù)肯定會(huì)有差異，為減小這種差異，可計(jì)算表面的平均溫度。利用上述理論計(jì)算方法，運(yùn)用微分的思想，來計(jì)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(xù)從頭開始測(cè)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(shè)置為30$初始溫度相同時(shí)開始記錄新數(shù)據(jù)，保持初始過余溫度相同，測(cè)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(diǎn)溫度平均值基本吻合;(2)在一定溫度范圍內(nèi)溫度場(chǎng)的平均值是并聯(lián)值的線性函數(shù);(3)通過實(shí)驗(yàn)證明，并聯(lián)熱電偶可以準(zhǔn)確測(cè)量不均勻溫度場(chǎng)的平均溫度，與理論相吻合。
4理論應(yīng)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(duì)稱布置的加熱器條件下，分別測(cè)量各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化值，并利，用傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，上下表面各點(diǎn)溫差及導(dǎo)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(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(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)也有較大的誤差。所以在.這樣的實(shí)驗(yàn)條件下得出的導(dǎo)熱系數(shù)具有很大的不可靠性，需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件或?qū)嶒?yàn)方法來準(zhǔn)確測(cè)量。
 
　　將以上并聯(lián)測(cè)量不均勻溫度場(chǎng)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)物體熱物性實(shí)驗(yàn)，同樣，保證與上述單點(diǎn)條件下初始條件相同:實(shí)驗(yàn)所需要的電源相同，所測(cè)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。
 
　　忽略通過平板側(cè)面即垂直于厚度方向的熱量損失，假設(shè)平板熱流密度是按厚度方向傳遞的，利用傅里葉導(dǎo)熱定律，計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù),測(cè)得平板厚度為0.015m，功率為25W，單側(cè)熱流密度為12.5W,測(cè)得平板導(dǎo)熱系數(shù)如圖6所示。
 
　　測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，隨時(shí)間變化導(dǎo)熱系數(shù)趨近于一個(gè)穩(wěn)定值，即驗(yàn)證了并聯(lián)熱電偶在不均勻溫度場(chǎng)條件下能夠準(zhǔn)確計(jì)算出平板的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)室里準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)熱物性實(shí)驗(yàn)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(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)誤差較大;采用并聯(lián)熱電偶來做實(shí)驗(yàn)，則可以得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的可靠性。
5結(jié)論
(1)基于PCL-818HG的溫度采集系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。編寫的程序可以采集不同范圍的電壓信號(hào)，不僅可以通過熱電偶溫度傳感器來測(cè)量溫度信號(hào)，還可以在不同傳感器下測(cè)量諸如壓力、密度、高度、位置等信號(hào)。
(2)主要針對(duì)不均勻溫度場(chǎng)，通過熱電偶的并聯(lián)方式來獲得該溫度場(chǎng)的平均溫度。在此基礎(chǔ)上，確定該材料的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行各種熱.工計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。
(3)測(cè)得的數(shù)據(jù)及擬合出的并聯(lián)值與單點(diǎn)平均值的線性關(guān)系，對(duì)于直徑為1mm左右的銅-康銅熱電偶有普遍的適用性。