本发明专利技术涉及一种用于流体动态温度测量的薄膜热电偶测温传感器结构，由若干个周向均布的单点薄膜热电偶组成，每个薄膜热电偶由埋设在柱状主结构中的热电偶丝和暴露在主结构表面的镀膜层组成。各单点热电偶有着完全相同的结构和材质，但是镀膜层厚度各不相同。本发明专利技术的多点薄膜热电偶可以用于测量流体的动态温度，由于各点的响应速度不同，会得到多个不同的测量值。采用与多点薄膜热电偶匹配的补偿算法，可以省去大量的数值计算和标定实验，有效提高动态温度的测量精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多点薄膜热电偶结构，可以用于流体的动态温度测量，配合与之匹配的补偿算法，可以提高流体动态温度的测量精度。
技术介绍
热电偶是使用最广泛的测温传感器之一，具有成本低廉、适应范围广的优点。但是由于热电偶感受部的热惯性，无法准确测量动态变化的温度，只能用于稳态的温度测量：热电偶感受部为两根热电偶丝的节点，测温时，被测物体(或流体)不断加热(或冷却)热电偶节点，当二者达到热平衡时，热电偶测得的温度就是被测物体(或流体)的温度。在实际使用过程中，由于被测物体(或流体)与热电偶节点之间的传热率有限，而节点本身又有一定的热容量，需要时间来达到热平衡，这就导致热电偶的响应速度慢，测量动态变化的温度会有明显的滞后误差。一般可以采用如下方法来减少提升热电偶的响应速度，减少滞后误差：1.采用细丝型热电偶，尽量减小热电偶丝的直径和节点焊接尺寸，这样可以获得较小的热电偶节点，减少其热容量，从而达到提高响应速度的目的。2.采用薄膜型热电偶，尽量减少薄膜的厚度，同样可以减少热电偶节点的热容量。3.在上述两种热电偶基础上，通过理论计算和实验标定方式建立起被测流体温度和节点温度的补偿关系式，根据关系式设计合适的补偿电路，或者直接使用软件进行在线补偿。但是以上几种方法各有其缺点：1.细丝热电偶结构脆弱，非常容易损坏，而且随着偶丝直径的减小导致换热面积减少，所以细丝型热电偶的响应速度提高也有限。2.薄膜热电偶虽然薄膜节点的热容量低，响应快，但是由于薄膜和基材接触面极大，即便使用导热率低的基材，导热依然非常快，这会导致其测得的温度与被测流体温度有误差，需要进行修正。3.由于被测流体流动条件的变化，要建立起具有普适性的补偿关系式，需要进行大量的理论计算与标定实验，会极大的提高成本。综上所述，现有技术中尚缺乏响应快、精度高、成本低的热电偶可以用于流体动态温度的测量。
技术实现思路
为了克服现有技术中上述热电偶的缺点和不足，本专利技术提出了一种多点薄膜热电偶结构，并提出了与其匹配补偿算法，通过对称布置多个材质结构完全相同的热电偶，使得薄膜热电偶结构可以用于不同流动状态的动态流体温度测量，而无需进行大范围多种流动状态的逐一动态标定，可以显著降低测量的滞后误差，提高流体动态温度的测量精度。本专利技术为解决其技术问题所采取的技术方案为：一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，包括一基体和若干单点薄膜热电偶，其特征在于，所述若干单点薄膜热电偶周向均布在所述基体上，各所述单点薄膜热电偶包括埋设在基体中的两根热电偶丝和暴露在基体前端平面的镀膜层，且各所述单点热电偶的结构和材质完全相同，但镀膜层的厚度各不相同。优选地，本专利技术的用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构在使用时，将薄膜热电偶镀膜层的前端平面正对来流方向。优选地，所述单点薄膜热电偶的数量为四个或以上，且各单点薄膜热电偶完全对称地设置在所述基体上。优选地，所述基体为柱状基体，采用绝缘且导热率低的材料制成。优选地，所述柱状基体的前端平面为光滑平面，侧面沿着轴向开槽或开孔。进一步地，各所述单点热电偶的两根热电偶丝埋设在所述基体侧面的开槽或开孔中，延伸至前端光滑平面与之平齐，并在该前端平面处形成镀膜层，在镀膜层处形成热电偶节点。进一步地，各所述单点热电偶的两根热电偶丝用绝缘封胶层固定在所述基体侧面的开槽或开孔中。进一步地，各所述单点热电偶的镀膜层厚度均不同，各单点热电偶具有不同的响应速度和时间常数。进一步地，各所述单点热电偶的镀膜形状完全相同，在所述基体的前端平面上围绕所述基体的中心呈周向对称均布。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种上述多点薄膜热电偶结构的制备方法，其特征在于，在基体的侧面沿着轴向开设若干槽或孔，在每个所述槽或孔内埋设两根热电偶丝，使用绝缘封胶层将热电偶丝固定在每个所述槽或孔内，热电偶丝延伸至基体的前端平面与之平齐，将该前端平面加工光滑，并在从每个槽或孔中穿出的两根热电偶丝之间使用热电偶金属材料镀上一层薄膜，形成各单点薄膜热电偶的节点，各单点薄膜热电偶的镀膜层形状尺寸完全相同，但厚度各不相同，各单点薄膜热电偶的镀膜层在基体的前端平面上围绕所述基体的中心呈周向对称均布。本专利技术的用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，利用各单点薄膜热电偶的对称性和镀膜厚度控制，配合与之匹配的补偿算法，可以提高流体动态温度的测量精度。下文结合补偿算法介绍本专利技术的技术方案。首先针对单个热电偶节点(也就是镀膜层)的建立换热模型方程，热电偶节点的热量变化dQJ应当等于节点与基体之间的换热量dQJ-B和节点与被测流体之间的换热量dQJ-F之和：dQJ＝dQJ-B+dQJ-F(1)热电偶节点的热量变化dQJ又可以表示为镀膜层质量m，比热容C和温度变化dTJ的乘积。对于一个测温过程来说，热电偶的温度TJ就是实验实测得到的温度，镀膜层的质量m和比热容C是可以事先测得的：dQJ＝mCdTJ(2)节点与基体之间的换热dQJ-B为热传导，可表示为镀膜面积A，换热系数KJ-B,热电偶温度TJ以及基体与热电偶接触部分的温度TB之乘积：dQJ-B＝AKJ-B(TJ-TB)(3)节点与被测流体之间的换热dQJ-F属于对流换热，可以表示为对流换热面积(此处等于镀膜面积)A，对流换热系数HJ-F，热电偶温度TJ以及流体实际温度TF之乘积：dQJ-F＝AJ-FHJ-F(TJ-TF)(4)将方程(2),(3),(4)代入(1)中可以得到：mCdTJ＝AKJ-B(TJ-TB)+AHJ-F(TJ-TF)(5)方程(5)中，质量m、比热容C、镀膜面积A为已知常数，实验时通过实测可以得到TJ，但TB，TF，HJ-F，KJ-B均为未知量。对于单个薄膜热电偶来说，可以通过数值计算和标定实验获得TB，HJ-F和KJ-B，从而求解(5)获得TF。但是由于对流换热系数HJ-F与流动条件有关，单个解只能用于对应的流动状态。也就是说，要保证薄膜热电偶能在各种流动状态下使用，就必须进行相应状态的标定。这就是
技术介绍
介绍中阐述这种补偿方法的缺点。多点薄膜热电偶则可以避免这种问题，以四点薄膜热电偶为例：通过合理的工艺设计与检测，可以精确的控制各个热电偶膜的质量m和面积A。假设镀膜厚度为整数倍数关系，四个膜的质量分别为m,2m,3m,4m，由于四个热电偶材质结构完全相同，且完全对称安装，可以认为四个本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，包括一基体和若干单点薄膜热电偶，其特征在于，所述若干单点薄膜热电偶周向均布在所述基体上，各所述单点薄膜热电偶包括埋设在基体中的两根热电偶丝和暴露在基体前端平面的镀膜层，且各所述单点热电偶的结构和材质完全相同，但镀膜层的厚度各不相同。
【技术特征摘要】
1.一种用于流体动态温度测量的多点薄膜热电偶结构，包括一基体
和若干单点薄膜热电偶，其特征在于，所述若干单点薄膜热电偶周向均布
在所述基体上，各所述单点薄膜热电偶包括埋设在基体中的两根热电偶丝
和暴露在基体前端平面的镀膜层，且各所述单点热电偶的结构和材质完全
相同，但镀膜层的厚度各不相同。
2.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述
多点薄膜热电偶结构在使用时，将薄膜热电偶镀膜层的前端平面正对来流
方向。
3.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述
单点薄膜热电偶的数量为四个或以上，且各单点薄膜热电偶完全对称地设
置在所述基体上。
4.根据权利要求1所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述
基体为柱状基体，采用绝缘且导热率低的材料制成。
5.根据权利要求4所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，所述
柱状基体的前端平面为光滑平面，侧面沿着轴向开槽或开孔。
6.根据上述权利要求所述的多点薄膜热电偶结构，其特征在于，各
所述单点热电偶的两根热电偶丝埋设在所述基体侧面的开槽或开孔中，延
伸至前端光滑平面与之平齐，并在该前端平面处形成镀膜层，在镀膜...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐菲，赵庆军，赵巍，孙小磊，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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