本發(fā)明涉及火災(zāi)及類似高溫氣流溫度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種多熱電偶組裝式溫度傳感器與測量校正算法。

背景技術(shù)：

裸露熱電偶測量火災(zāi)燃燒火焰溫度時，熱電偶的溫度讀數(shù)實際是熱電偶結(jié)點的溫度，而不是燃燒火焰溫度，且兩者之間存在很大的差距(溫度測量誤差)。造成這種溫度測量誤差的原因是，雖然燃燒高溫火焰通過對流換熱方式加熱熱電偶結(jié)點，但高溫狀態(tài)下的熱電偶結(jié)點通過熱電偶導(dǎo)線導(dǎo)熱、與周圍冷環(huán)境輻射換熱等兩種傳熱方式而損失熱量，其中導(dǎo)熱損失熱量可通過增加熱電偶導(dǎo)線與火焰接觸長度而減小至可忽略。由此可見，輻射換熱是導(dǎo)致熱電偶結(jié)點溫度低于火災(zāi)燃燒溫度的主要原因。

針對裸露熱電偶測溫的輻射誤差問題，目前主要有兩種解決途徑。一種是通過提高熱電偶生產(chǎn)工藝，不斷減小熱電偶結(jié)點尺寸，如中國專利cn205808579u公開了一種t型超精細鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工藝；另一種途徑是設(shè)計帶遮熱罩的抽氣式熱電偶，并且由單層遮熱罩向多層發(fā)展，如中國專利cn203432703u公開了一種雙層套管抽氣熱電偶結(jié)構(gòu)。然而，對于火災(zāi)或類似高溫氣流溫度測量來講，精細熱電偶容易彎曲甚至折短，而抽氣式熱電偶溫度讀數(shù)不能反應(yīng)出火災(zāi)溫度湍流脈動，無法得到溫度瞬態(tài)信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明設(shè)計了一種多熱電偶組裝式溫度傳感器，其可以校正熱電偶測溫輻射誤差，同時能克服現(xiàn)有測量技術(shù)的缺陷。

本發(fā)明是為了校正熱電偶裸露結(jié)點與周圍環(huán)境輻射換熱給熱電偶測溫帶來的誤差，并基于傳熱學(xué)原理和算法消除高溫氣流湍流脈動對校正過程的影響，使得校正后的溫度更接近氣體的真實溫度，并能給出真實溫度的湍流脈動情況。

本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

一種多熱電偶組裝式溫度傳感器，包括圓柱形陶瓷空心管，陶瓷空心管中設(shè)置有絕緣填充材料，陶瓷空心管內(nèi)縱向均勻設(shè)置有n個類型材質(zhì)一樣的熱電偶，熱電偶之間的兩兩距離為l，熱電偶的結(jié)點直徑皆不相等，熱電偶通過連接線連接到數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊通過連接線連接到采集電腦。

本發(fā)明的進一步改進，熱電偶的數(shù)量n大于等于3，熱電偶之間的兩兩距離l小于等于10mm。

本發(fā)明的進一步改進，熱電偶的數(shù)量n為3，熱電偶之間的兩兩距離l為5mm。

本發(fā)明的進一步改進，熱電偶的數(shù)量n為4，熱電偶之間的兩兩距離l為5mm。

本發(fā)明的進一步改進，熱電偶采用k型熱電偶。

本發(fā)明還披露了多熱電偶組裝式溫度傳感器測量校正算法，通過多項式最小二乘擬合法構(gòu)建熱電偶溫度讀數(shù)與結(jié)點直徑之間的非線性關(guān)系式，所述多項式的階數(shù)取決于熱電偶的個數(shù)，設(shè)定熱電偶的數(shù)量為n，第一熱電偶結(jié)點直徑為d1，t時刻的溫度讀數(shù)為t1(t)，第二熱電偶結(jié)點直徑為d2，t時刻的溫度讀數(shù)為t2(t)……第n熱電偶結(jié)點直徑為dn，t時刻的溫度讀數(shù)為tn(t)，則，多項式最小二乘擬合為t＝a+bd+cd²+……，火災(zāi)燃燒溫度tg(t)＝a(t)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明與精細熱電偶相比：雖然精細熱電偶結(jié)點直徑非常小，熱電偶溫度讀數(shù)也非常接近所測量的高溫氣體溫度，但是精細熱電偶浸入流速較大的火災(zāi)燃燒氣流或類似高溫氣流，非常容易折斷；再者，精細熱電偶比較貴；相比較而言，多熱電偶組裝式溫度傳感器不僅能測量校正火災(zāi)燃燒溫度，而且堅固可靠和費用低廉。

本發(fā)明與帶遮熱罩的抽氣式熱電偶相比：雖然遮熱罩阻隔了熱電偶裸露結(jié)點與周圍環(huán)境的輻射換熱，從而降低了熱電偶溫度測量輻射誤差，但是通過抽氣方式把火災(zāi)燃燒氣體抽吸入遮熱罩，再與熱電偶結(jié)點進行對流換熱，很明顯改變了火災(zāi)燃燒氣體的原有流動形態(tài)，從而會導(dǎo)致熱電偶讀數(shù)的脈動不能客觀地反應(yīng)出火災(zāi)溫度湍流脈動，無法獲得火災(zāi)溫度脈動的真實信號。相比較而言，多熱電偶組裝式溫度傳感器不僅能測量校正火災(zāi)燃燒溫度，而且校正的溫度能客觀反應(yīng)火災(zāi)湍流脈動信號。

本發(fā)明與雙熱電偶和三熱電偶溫度校正算法相比：雙熱電偶和三熱電偶溫度校正算法分別為(d1<d2<d3)

雖然兩者的數(shù)學(xué)形式都為代數(shù)表達式，具有簡單易用的優(yōu)點，但是兩者的建立過程都忽略了熱電偶結(jié)點能量守恒方程中的瞬態(tài)項，從而導(dǎo)致該兩種算法僅適用于層流火焰燃燒溫度測量校正。而相比較而言，多熱電偶組裝式溫度傳感器不僅適用于層流火焰燃燒溫度測量校正，而且能測量校正湍流火焰燃燒溫度。

附圖說明

圖1是多熱電偶組裝式溫度傳感器工作原理示意圖。

圖2是三熱電偶組裝式溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是四熱電偶組裝式溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是校正算法流程圖。

圖5是火災(zāi)溫度測量實驗示意圖。

圖6-15是四熱電偶組裝式溫度傳感器測量數(shù)據(jù)和溫度校正數(shù)據(jù)。

圖中，1-陶瓷空心管，2-絕緣填充材料，3-連接線，4-第一熱電偶，5-第二熱電偶，6-第三熱電偶，7-第四熱電偶，8-四裸露熱電偶組裝式溫度傳感器，9-固定支架，10-數(shù)據(jù)采集模塊，11-數(shù)據(jù)采集電腦，12-測量位置點，13-燃燒火焰，14-氣體燃燒器，15-可燃氣體導(dǎo)管，16-氣體流量控制器，17-丙烷氣瓶，18-防火板，19-實驗臺桌。

具體實施方式

為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不對本發(fā)明的保護范圍構(gòu)成限定。

如圖1所示為多熱電偶組裝式溫度傳感器工作原理示意圖，裸露熱電偶放置于火災(zāi)燃燒火焰內(nèi)時，其結(jié)點的能量守恒方程可以表述為

其中，m、c、s和ε分別為熱電偶結(jié)點的質(zhì)量、比熱、表面積和發(fā)射率；t為熱電偶結(jié)點溫度；t為時間；h為燃燒火焰與熱電偶結(jié)點之間的對流換熱系數(shù)；tg為燃燒火焰溫度；σ為stefan–boltzmann常數(shù)；t0為環(huán)境有效輻射溫度。對流換熱系數(shù)可以用nu數(shù)計算，即

nu＝hd/kg(2)

其中d為熱電偶結(jié)點直徑；kg為燃燒火焰氣體熱導(dǎo)率。而nu數(shù)為re數(shù)和pr數(shù)的函數(shù)，其常用表達式有

nu＝0.51re^0.5pr^0.37(3)

其中re＝ud/υg，u和υg分別為燃燒火焰氣體流動速度和運動粘度。

根據(jù)公式(2)和(3)可知，隨著熱電偶結(jié)點直徑d的減小，對流換熱系數(shù)h增大，再根據(jù)公式(1)的變型形式可推導(dǎo)出燃燒火焰溫度與熱電偶結(jié)點溫度之差tg-t減小，且d減小為0時，則h為無窮大，那么tg-t為零。

因此，可以通過設(shè)置所有熱電偶的類型材質(zhì)一樣，而熱電偶結(jié)點直徑不同，建立某種合理的算法，由不同結(jié)點直徑熱電偶溫度讀數(shù)推算出燃燒火焰溫度。

圖2和圖3分別給出了三熱電偶和四熱電偶組裝式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)，其主要組成為：1為陶瓷空心管、2為絕緣填充材料、3為連接線或數(shù)據(jù)總線、4為結(jié)點直徑為d1的第一熱電偶、5為結(jié)點直徑為d2的熱電偶、6為結(jié)點直徑為d3的第三熱電偶、7為結(jié)點直徑為d4的第四熱電偶(d1<d2<d3<d4)。

如圖1和圖4所示，根據(jù)工作原理可知，當熱電偶結(jié)點直徑逐漸減小時，熱電偶溫度讀數(shù)會逐漸接近燃燒火焰的真實溫度，只要根據(jù)不同結(jié)點直徑(d1、d2、d3、d4、…)的熱電偶溫度讀數(shù)(t1、t2、t3、t4、…)，建立起熱電偶溫度讀數(shù)與熱電偶結(jié)點直徑之間的定量關(guān)系式，則可推算出熱電偶結(jié)點直徑為零時熱電偶溫度讀數(shù)，即推算得到高溫氣體真實溫度。通?？梢酝ㄟ^多項式最小二乘擬合法構(gòu)建熱電偶溫度讀數(shù)與結(jié)點直徑之間的非線性關(guān)系式。多項式的階數(shù)取決于熱電偶的個數(shù)，如三熱電偶組裝式溫度傳感器需采用二階多項式t＝a+bd+cd²，而四熱電偶組裝式溫度傳感器需采用二階多項式t＝a+bd+cd²或三階多項式t＝a+bd+cd²+dd³。多項式擬合之后，擬合系數(shù)a即為火災(zāi)燃燒溫度，即a＝tg。

實施例：火災(zāi)溫度測量實驗，如圖5所示，實驗包括溫度測量采集系統(tǒng)和火災(zāi)燃燒模擬系統(tǒng)。溫度測量采集系統(tǒng)的構(gòu)成為：8為四裸露熱電偶組裝式溫度傳感器(8a、8b、8c和8d分別為結(jié)點直徑0.23、0.62、0.85和1.77mm的k型熱電偶)、9為固定支架、10為數(shù)據(jù)采集模塊、11為數(shù)據(jù)采集電腦、12為測量位置點；火災(zāi)燃燒模擬系統(tǒng)的構(gòu)成為：13為燃燒火焰、14為氣體燃燒器、15為可燃氣體導(dǎo)管、16為氣體流量控制器、17為丙烷氣瓶、18為防火板、19為實驗臺桌。

組裝式溫度傳感器最佳工作方式：傳感器正對燃燒羽流流動方向，細熱電偶在燃燒羽流流動上游，粗熱電偶在燃燒羽流流動下游，可在最大程度上減小上游熱電偶尾渦流對下游熱電偶溫度讀數(shù)的影響。熱電偶之間間距控制在10mm以內(nèi)。

本次實驗測試中，熱電偶之間間距為5mm，方形燃燒器尺寸為12×12cm，丙烷氣體質(zhì)量流量控制為8.98±0.09標準升每分鐘(相對應(yīng)的熱釋放速率約為13.04kw)，平均火焰高度為69cm，間歇火焰高度為85cm，火焰處于湍流燃燒狀態(tài)。

圖6-15分別給出了距離燃燒器上表面分別為10、15、20、25、30、35、40、45、50、55cm測量位置處的四個熱電偶溫度測量數(shù)據(jù)和溫度校正數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，四熱電偶組裝式溫度傳感器滿足其工作原理，即熱電偶結(jié)點直徑減小，則其讀數(shù)增大；再者，多項式最小二乘擬合方法可以校正推算出火災(zāi)燃燒溫度，且校正溫度比最小結(jié)點直徑熱電偶讀數(shù)大約高100攝氏度。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。