热电偶布置方式对测温结果的影响

摘要:利用热电偶并联理论，对不均匀温度场进行了分析。利用数据采集板PCL-818HG对热电偶的热电势信号进行处理,用VisualBasi:编写控制程序，实现了温度信号的数字化采集和显示。分析了准稳态法测导热系数实验过程，在热源相互干扰的不均匀温度场条件下，比较多支热电偶单点布置方式与并联布置方式的优缺点，得出了利用热电偶并联对不均匀温度场测量的参考式，并对该实验进行了改进。
1引言
　　在用准稳态法测平板导热系数的传热实验中心2，实验平板上下表面的中心各布置了一对热电偶，在实验过程中发现平板表面温度是不均匀的，使得测量计算的结果误差较大。可采用多点测量并取平均值的方法来改进。为进一步减少多点测量占用通道数目过多的弊端，可将多对热电偶并联，既能提高测量的精度，又能避免占用通道过多的矛盾，效果明显。
2温度信号的数字化采集系统.
　　温度测量使用自制的T型热电偶，线径为0.2mm,并进行了标定。数采板采用PCL-818HG,通过硬件设置使其16个单通道工作在差模状态下3。利用VisualBasie语言编写控制程序同时显.示8组数据，并且能够实现数据的记录以及采样频率的设置。程序可以对8个通道进行实时数据监控，并将采集到的数据转换成温度信号。程序启动后，随即生成一个txt文件，温度数据被保存在该文件下，便于数据处理。
3单点与并联布置方式的测温结果分析
　　在厚度为0.015m的正方形平板实验块表面,等面积地布置6对热电偶，当温度场达到平衡状态时，测量出这6个点的温度，而这6对热电偶所产生的平均热电势Ep可视为基准值，因为Ep可以看作相对高一级仪表测量得到的值，可看作真值(也称相对真值)。以这6对热电偶为中心将正方形实验块平分为6个正方形小面积作为微分单元，截面.上的平均热电势Ep为国:
 
　　其中Ei是指第i个热电偶m次测量的平均热电势;Si是指第i个热电偶所占的正方形小格面积;S是指整个平板的面积。据公式(1)，计算上述单点布置条件下温度的平均值以及平均温差和导热系数的值。对于第i支独立的热电偶，测量m次，再求出其平均热电势:
 
　　在PC机上运行采集程序，将采样频率设置成为30s通过实验测得数据并利用上述理论计算,得出曲线如图1所示
 
　　可以看出，随着时间的推移，温度场的不均匀程度在逐渐增加。这样不同的点计算出的物体的导热系数肯定会有差异，为减小这种差异，可计算表面的平均温度。利用上述理论计算方法，运用微分的思想，来计算表面上的平均温度，如图2所示。同时，布置6个并联热电偶继续从头开始测量，电源为50V，平板及加热器初始温度为室温，数据采集板的采样频率设置为30$初始温度相同时开始记录新数据，保持初始过余温度相同，测量结果也一并绘制在图2中。
 
　　由以上数据可以得出如下结论:(1)热电偶并联值与单点温度平均值基本吻合;(2)在一定温度范围内温度场的平均值是并联值的线性函数;(3)通过实验证明，并联热电偶可以准确测量不均匀温度场的平均温度，与理论相吻合。
4理论应用
　　先做单点布置条件下，平板上下表面平均布置各3支热电偶，在50V电源、2个对称布置的加热器条件下，分别测量各点温度随时间变化值，并利，用傅里叶导热定律计算导热系数，上下表面各点温差及导热系数如图3图4所示。
 
　　由图3及图4可以清晰地看出，多支单点布置热电偶条件下，各点温度场随时间变化的差异是很大的，这样计算出的导热系数也有较大的误差。所以在.这样的实验条件下得出的导热系数具有很大的不可靠性，需要改进实验条件或实验方法来准确测量。
 
　　将以上并联测量不均匀温度场理论和实验结果应用到准稳态法测物体热物性实验，同样，保证与上述单点条件下初始条件相同:实验所需要的电源相同，所测平板及平板上热电偶布置的位置不变。
平板上下表面平均布置各3支热电偶，得到上下表面的温差随时间变化的关系，如图5所示。
 
　　忽略通过平板侧面即垂直于厚度方向的热量损失，假设平板热流密度是按厚度方向传递的，利用傅里叶导热定律，计算导热系数,测得平板厚度为0.015m，功率为25W，单侧热流密度为12.5W,测得平板导热系数如图6所示。
 
　　测量数据显示，随时间变化导热系数趋近于一个稳定值，即验证了并联热电偶在不均匀温度场条件下能够准确计算出平板的导热系数。实验室里准稳态测热物性实验只是在平板上下表面的中心各布置了一支热电偶，由图1可以看出，平板表面各点温度的不均匀性随时间增加而增大，所以计算出的导热系数误差较大;采用并联热电偶来做实验，则可以得到较为准确的实验结果，而且也解决了由于增加了热电偶而占据通道数的矛盾,大大提高了实验的可靠性。
5结论
(1)基于PCL-818HG的温度采集系统应用广泛。编写的程序可以采集不同范围的电压信号，不仅可以通过热电偶温度传感器来测量温度信号，还可以在不同传感器下测量诸如压力、密度、高度、位置等信号。
(2)主要针对不均匀温度场，通过热电偶的并联方式来获得该温度场的平均温度。在此基础上，确定该材料的导热系数，进而进行各种热.工计算和实验研究。
(3)测得的数据及拟合出的并联值与单点平均值的线性关系，对于直径为1mm左右的铜-康铜热电偶有普遍的适用性。