阶跃温度及水流速度对工业铂热电阻热响应时间的影响

王崇愿 朱鹏飞 宋平/.上海市计量测试技术研究院；.上海浦江埃纳迪斯仪表有限公司

0 引言

工业铂热电阻作为接触式测温的传感器在各行各业中得到广泛的应用。铂热电阻温度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。铂热电阻温度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。铂热电阻温度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级工业铂热电阻温度计1#、2#作为被测对象，搭建了工业铂热电阻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，计算出铂热电阻温度计热响应时间。

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。

图1 铂热电阻热响应时间测试实验台

2 测试原理

将铂热电阻温度计固定在支架上，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，被检铂热电阻温度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，机械臂将铂热电阻温度计迅速置入水中，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，待铂热电阻温度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#铂热电阻温度计在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。

图2 1#铂热电阻示波器曲线图

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。

表1 1#铂热电阻温度计在不同测试工况下的热响应时间

表2 2#铂热电阻温度计在不同测试工况下的热响应时间

图3 30 ℃水温时热响应时间随水流速度变化图

图4 50 ℃水温时热响应时间随水流速度变化图

图5 70 ℃水温时热响应时间随水流速度变化图

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 0.6 m/s流速时热响应时间随水温变化图

图7 0.8 m/s流速时热响应时间随水温变化图

图8 1.0 m/s流速时热响应时间随水温变化图

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。

图9 热响应时间随水温和流速变化图

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工业铂热电阻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。