介质温度

介质温度（精选3篇）

介质温度 篇1

1 引言

物位检测技术在现代化工业过程控制中占有重要地位。通过对物位的测量, 获得物位的模拟量信号或开关量信号, 从而实现对物料的过程处理以及加工过程可靠控制, 并且对物料的存储管理提供实时的信息。然而在真实的工业生产过程中, 作为物料存储或临时缓冲用的容器常常暴漏在室外, 这样环境温度变化会直接影响到容器内介质的温度;即使是带隔热保温的容器, 通过进入容器的物料的温度变化也会改变容器内已有介质的温度。因此, 物位检测中要充分考虑被测介质的温度变化[1]。

2 温度影响物位测量的原因

物位测量包括容器中液体介质液面的高低、两种不相溶液体介质的分界面及固体颗粒或粉尘在容器内堆积的高度。在工业生产过程中, 被测介质在物理性质、化学性质等方面有很大差异, 被测量介质的环境温度、压力、振动等更是各不相同。为了满足各种测量条件的要求, 我们制造出不同的物位检测仪表, 最常用到液位计有:玻璃管、差压式及浮力式液位计等和常用的物位计有:超声波、微波、电容及雷达物位计等。在以下的讨论中, 我们将主要分析差压式液位计、浮力式液位计和超声波物位计受到介质温度的影响情况。

2.1 差压式液位计[2]

差压式液位变送器是测量变送器两端压力之差的变送器, 差压式液位计变送器一般分为高压端和低压端, 一般情况下, 差压变送器高压端的压力应大于低压端压力才能将测量值由转换部件转换成电流信号传送到控制室。常见的差压式液位变送器的安装方式是将被测容器底部和上部各开一个引压孔, 通过引压管将它们联接到压力变送器的高压端和低压端, 如图1所示。

差压计所测得的差压△P与液位高度的如下关系:

式中, ρ:被测液体密度;

g:当地重力加速度;

H:被测液体的高度。

在这里可以看出, 被测液体的密度变化, 将影响所测的差压值△P。对与液体来说, 密度ρ主要受温度影响。同样是在标准大气压下的水, 当温度是0℃ (89.6℉) 时, 密度是999.840kg/m3, 而当温度上升到70℃ (316.4℉) 时, 密度则减小到977.759kg/m3, 相对变化率超过2.2%, ;而对液化石油气 (丙烯) 来看, 同样是在标准大气压, 当温度是0℃ (89.6℉) 时, 密度是545.4kg/m3, 而当温度上升到40℃ (219.2℉) 时, 密度则减小到515.8kg/m3, 相对变化率更是超过5.4%。而由式 (1) 可知, 密度的变化直接反映了差压的变化。

一般地, 目前常用于液位测量的差压变送器没有温度补偿功能, 要使压力的输出能唯一地反映液位的变化只能假设密度为常数。因此, 当温度变化引起密度变化时, 差压式液位计将会产生显著的测量误差。

2.2 浮力式液位计[3]

浮力式液位计可分为恒浮力式液位计和变浮力式液位计两大类。前者是根据浮子的位置始终跟随液位的变化而变化进行液位测量的;后者则是根据浮筒所受的浮力随液位的变化而变化来进行液位测量的。在这里我们讨论一下变浮力式液位计, 如图2所示, 是一个典型的用弹簧平衡的浮筒式变浮力液位计测量原理图。

浮筒悬挂在弹簧上, 当液面处在浮筒下端时, 即当液位是零 (H=0) 时, 浮筒的重量被弹簧的反作用力所平衡。当液位上升使浮筒的一部分被液体浸没时, 由于受到液体的浮力作用而使浮筒向上移动, 直到与弹簧的作用力重新平衡。则可以推得弹簧的位移△H之间成如下关系:

式中, K:弹簧倔强系数

S:浮筒的截面积

通常情况, 作为测量用的金属浮筒的热膨胀系数较小, 弹簧的倔强系数 (K) 在一定的温度范围内保持不变。这样, 当液位 (H) 保持恒定时, 决定弹簧位移 (△H) 的主要因素就是被测量液体介质的密度。因为在实际情况△H《H, 同时我们要求K》Sρg, 所以公式 (2) 的近似式如下:

从式 (1) 和式 (3) 可以看出, 液体介质的密度对差压式液位计和浮力式液位计的输出都有决定性的影响, 并且受温度变化引起液体介质的测量误差等同于此时液体介质密度改变引起变化量。

2.3 超声波物位计[4]

超声波物位计是一种即可以用来测量液体液位, 也可以用来测量固体料位的检测仪表。它是利用回声测距的方法, 检测声波发射出去到达被测物体表面再反射回波回来的时间间隔来确定被测物位高度的, 如图3所示。

通常超声波探头同时具备发射和接收功能, 这时我们假设这个反射回波时间间隔是△T, 并且设定声波的传播速度是V, 则从超声探头物体表面的距离d为:

大多数情况我们都会将的超声波探头都安装在容器的顶部, 假设容器总高度 (到超声波探头位置) 为H, 则测得物位高度h为:

从式 (5) 中可以直观的看出要想得到准确的物位高度, 就必须准确知道超声波的传播速度V, 同时我们还要测得回波时间△T, 可是超声波在传播介质中的传播速度受介质温度的影响很大。在空气中-1 0℃的声速为:330.9m/s, 当温度上升到30℃时, 声速为:348.5m/s, 温度对声速的影响是非常大。

3 温度补偿方法[1]

在很多物位测量仪表中, 被测介质 (环境) 温度变化, 对测量结果有很大的影响, 因此必须进行温度补偿方法, 来保证在一定温度范围内物位测量值的准确性。下面分析下, 直接补偿法和参比补偿法。

3.1 直接补偿

直接补偿方法在硬件设计上非常简单, 就是在物位检测仪上安装测温单元, 实时检测介质 (环境) 温度, 在系统软件上建立温度同补偿参数 (密度、声速) 之间的函数关系式。这样根据测温单元测得到温度, 通过函数计算出补偿参数, 再代入式 (1) 、 (3) 、 (5) 中, 就完成对温度变化的自动补偿。

直接补偿方法还存在诸多不足:第一, 要明确知道补偿参数同温度之间的函数关系, 否则无法进行数学计算补偿;第二, 要在物位计增加温度检测单元和中央处理器等硬件, 这就使得物位计变得复杂, 费用增加;第三, 直接补偿方法要求介质 (环境) 温度均匀, 这样检测到温度才能代表介质 (环境) 整体温度, 补偿效果才显著。

直接补偿方法在理论上说可以用在差压式液位计和浮筒式液位计中, 通过检测介质温度变化来补偿密度, 但在实际应用中却不多见, 我们经常看到的是这种方法应用在超声波物位计中。

3.2 参比补偿

参比补偿方法就是在要检测的容器上安装两个测量器件:一个称为主测量器件, 用来检测物位的实际高度;另一个称参比测量器件, 它的原理和特性同主测量器件, 但它是用来检测固定高度的, 也就是它检测的高度不会跟随物位的改变而变化。下面分析几种用参比补偿方法进行物位测量。

3.2.1 差压式液位测量

在用差压式液位计测量液位中, 要安装两台相同差压仪表, 如图4所示。

由公式 (1) 可得到差压表△P1和△P2的压力值分别是:

要求是容器内液体的最低液面要大于h, 也就是说H>h, , 则可得到下式:

由 (8) 式可以看出被测量液位介质液面的高度只同差压△P1和△P2的比值有关, 同被测量液体介质的密度没有关系。

3.2.2 浮力式液位测量

在用浮力式液位计测量液位中, 要制作做一个固定高度为h的浮筒, 投入到被测介质容器里作为参比器件, 测量液位的最低高度要大于浮筒高度, 同参比浮筒要完全侵没在被测介质中。由式 (3) 可以得出, 这只高度为h的参比浮筒侵在液体里, 弹簧位移△H 2为:

用式 (3) 和式 (9) 作比较可得下式:

同样, 由 (10) 式可以看出被测量液位介质液面的高度只同弹簧位移△H和△H2的比值有关, 同被测量液体介质的密度没有关系。

3.2.3 超声波物位测量

超声波物位计的参比补偿方法就是在在增加一套超声波探头和电子转化器, 同时在容器内增加固定距离的反射板, 因为他们之间的距离是固定不变的, 因此可以计算出容器能的声速, 通过这一结果对式 (5) 进行参比补偿。这种方式因为容器的工艺要求很难得到实现, 因此这种方式极少能得到应用。

参比补偿方法也存在不足:第一, 它和直接补偿方法一样要求介质 (环境) 温度均匀, 并且介质内各处的物理性质要相同;第二, 测量仪表要成倍的增加, 这就是使安装和维护工作变得复杂, 相应费用投入增加巨大;第三, 对于差压液位计、浮筒液位计存在最小测量点, 而超声物位计存在最高测量点。

4 结束语

在物位测量中, 介质温度的变化直接影响物位计测量值结果的误差, 温度补偿是物位测量与检测不可缺少的环节, 通过两种温度补偿方法的分析, 我们可以看出只有正确的选择温度补偿的方法才能得到良好的补偿效果, 并且可以保证测量结果的准确性。

摘要：本文较全面的论述了温度变化对差压式液位计、浮力式液位计及超声波物位计在物位检测中对测量结果产生的影响, 并且给出了消除温度变化引起的测量值误差的温度补偿方法, 同时讨论这些方法的在实际应用中存在的不足。

关键词：介质温度,补偿方法,物位,检测

参考文献

[1]郭剑花, 王锁庭主编.过程测量及仪表[M].北京:化学工业出版社, 2010.

[2]周平, 吴明光, 周春晖.变密度条件下的液位测量[J].仪器仪表学报, 1998, (2) :168-172.

[3]杜福祥.浮筒液位计技术改造与应用[J].石油化工设备, 2007, (8) :72-74.

[4]LEVEL物位测量仪表[Z], 2011.

介质温度 篇2

伺服机构是运载火箭推力矢量控制系统的重要执行机构, 通过摇摆火箭发动机参与完成对运载火箭的姿态控制。我国新一代运载火箭配套的某伺服机构采用无毒无污染的航天煤油作为工作介质。为了便于地面试验, 在伺服机构中设计了油箱组件, 用于储存煤油, 作为伺服机构地面试验时的工作介质。油箱中装有油面电位器, 用于监测油箱中的煤油体积。油面电位器的输出量为直流电压值, 称为油面电压。

伺服机构在使用过程中的外界环境较为恶劣, 在低温、高温等条件下均要求能正常工作。为了保证在各种环境温度下伺服机构的正常工作, 油箱中的煤油体积必须满足技术条件的要求。受热胀冷缩作用的影响, 在外界环境温度变化时, 伺服机构中的煤油体积也会发生变化。为了给伺服机构充油量提供参考, 使高、低温下伺服机构中油液体积均能满足技术要求, 需要研究伺服机构油面电压随温度变化的关系, 给出两者之间的函数关系。

现役运载火箭伺服机构中也设计有油箱组件, 其工作原理与新一代运载火箭配套的伺服机构油箱相似。但现役伺服机构使用的工作介质为航空液压油, 航天煤油的粘度、密度、热膨胀系数等理化性质与航空液压油相比均有所不同, 因此无法沿用现役伺服机构的经验公式, 需要对煤油介质伺服机构的油面电压随温度变化的特性展开研究。

1 液体热膨胀理论

热胀冷缩是自然界最常见的物理现象之一, 温度升高时液体体积增大的现象称为热膨胀。热膨胀的原因之一是分子间引力及斥力的不对称性;原因之二是液体内部孔隙的出现, 这种孔隙使液体具备海绵的特点。在温度改变量Δt不大时, 液体体积的相对增量VΔV是和Δt成正比的, 即

式 (1) 中β即为液体的体膨胀系数, 随温度的升高而增大, 随压强的增大而减小[1]。

现役运载火箭配套伺服机构油面电压U与环境温度T间关系的经验公式如式 (2) , 其中T为绝对温度。

由式 (2) 可见, 现役伺服机构油面电压与温度间为线性关系, 与式 (1) 中关于液体热膨胀的理论相吻合。虽然煤油与航空液压油的理化性质上差异较大, 但两者均为液体, 均存在液体的热膨胀效应, 可以假设煤油介质伺服机构的油面电压与温度间也为线性关系, 下面将通过试验验证这一假设。

2 试验研究

2.1 试验方法及数据

为了准确地得到煤油介质伺服机构油面电压随温度变化的函数关系, 使用了2台某型号煤油介质伺服机构进行温度试验, 试验条件见表1, 试验中的温度范围覆盖了伺服机构正常使用时的温度。为了保证伺服机构内煤油温度与外界环境温度达到平衡, 在每个温度点下保温4 h后记录该温度下的油面电压值。

参加试验的2台伺服机构编号为1#、2#。将2台伺服机构放入温度试验箱后, 使用测试设备监测并记录表1中每个温度点下2台伺服机构的油面电压值, 试验数据见表2。

2.2 数据分析

当需要研究两变量之间的函数关系, 但此函数关系不能通过理论分析得到时, 可以根据n对测量数据 (xi, yi) 的拟合来假定其为一多项式, 并求出多项式的阶数及系数, 这称为多项式拟合[2]。多项式拟合按多项式的阶数可分为线性多项式拟合、二次多项式拟合、三次多项式拟合等等。

由表2中数据, 即可通过多项式拟合的方法获得油面电压与温度间的关系。前文中假设两者间为线性关系, 下面通过线性、二次多项式2种拟合方法来分析煤油介质油面电压与温度间的关系。

使用MATLAB拟合工具箱, 对表2中2台伺服机构的油面电压分别进行了2种不同方法的拟合, 拟合曲线见图1, 拟合出的多项式系数见表3。

由图1和表3可见, 2台伺服机构温度试验的拟合结果中, 二次多项式拟合的二次项系数数量级均为10-6, 接近于零, 线性拟合和二次多项式拟合的曲线吻合程度很高。因此可以认为煤油介质伺服机构的油面电压与温度间为线性关系, 符合式 (1) 的热膨胀理论, 验证了前文的假设。此外, 由线性拟合的理论可知, 线性拟合的常数项与0℃时的油面电压值有关。

为了方便在实际使用时换算油面电压和温度间的关系, 需要给出伺服机构油面电压随温度变化的函数关系。由于在工程应用中对于油面电压的精确度要求较低, 且考虑到试验数据可能出现的误差, 综合2台伺服机构油面电压温度试验数据线性拟合的结果, 可得某煤油介质伺服机构油面电压U与环境温度T间的关系为:

其中UT为T℃环境下的油面电压值, C0为常数, 为伺服机构0℃时的油面电压值。在工程应用中, 伺服机构关于油面电压的技术要求均是针对20℃环境下提出的, 伺服机构充油时操作间的环境温度也要求为20℃。充油时的油面电压为已知量, 所以为了方便工程应用, 需要得到任意温度下的油面电压值与20℃环境下油面电压的关系。对式 (3) 进行变换, 可得:

其中UT为T℃环境下的油面电压值, C20为常数, 为伺服机构20℃时的油面电压, C20=C0+0.15。实际使用时, 可以根据伺服机构在某环境温度下正常工作所需的最低油面电压, 由式 (4) 推算在20℃环境下充油时的油面电压值, 以保证伺服机构在实际使用环境下能够正常工作。

3 结论

根据液体热膨胀理论和现役型号伺服机构油面电压与温度间的经验公式, 假设煤油介质伺服机构油面电压与温度间为线性关系。为了得到煤油介质伺服机构油面电压与温度间的关系, 使用2台某型煤油介质伺服机构进行了-35℃~+75℃的温度试验, 获得了各温度点下的油面电压值, 分别采用线性拟合和二次多项式拟合的方法对油面电压值与温度间的关系进行了拟合, 验证了油面电压值与温度间的线性关系, 并根据温度试验数据推导了某煤油介质伺服机构油面电压值与温度间的换算公式。

参考文献

[1]李椿, 章立漂, 钱尚武.热学[M].北京:高等教育出版社, 2008.

介质温度 篇3

研究具有超低损耗陶瓷材料体系一直是微波介质陶瓷领域的热点。当前微波通信领域向高频化发展,如移动通信已从原来的900MHz进入到3G通信时代(2.4GHz),甚至4G通信的5.2GHz[1],这就要求应用于谐振器、滤波器或介质天线的微波介质陶瓷较之过去要具有更低的介电损耗(或更高的品质因子)。目前超低损耗主要代表体系是以复合钙钛矿结构Ba(Mg1/3Ta2/3)O3或Ba(Zn1/3Ta2/3)O3为基础的相关材料,然而该体系材料的制备成本较高,限制了其发展[2,3]。具有适中介电常数(K~18)、高品质因子(Qf~350000GHz)的ABO3型钛铁矿结构Mg Ti O3的制备工艺简单、原料成本低,在过去30年中得到了广泛的研究,已经成功应用于微波通信领域[4]。近年来由于高频化、低成本化的需求又再度引起了研究者的兴趣[5,6,7,8]。

然而由于单相Mg Ti O3陶瓷采用传统陶瓷制备方法存在粉体合成温度高、范围窄,且容易形成Mg Ti2O4或Mg2Ti O5等第二相,降低了烧结陶瓷的品质因子(Qf~160000GHz)。为了抑制杂相对介电性能的影响,研究学者通过A位或B位离子置换,导致在晶格中产生的局部晶格扭曲和阳离子的尺寸效应超过了杂相的影响。2008年,Tseng报道了采用0.05mol置换Ti离子,获得的Mg(Ti0.95Zr0.05)O3陶瓷具有高达3800000(7GHz)的品质因子[7]。然而-谐振频率温度系数(TCF)约为-50ppm/℃,从而限制了其应用。研究表明,在Mg Ti O3基微波介质陶瓷中适当引入一些阳离子,如Cu2+、B3+或Ca2+等[8,9,10],在基体材料中生成具有正温度系数的第二相(如Ti O2),从而可以调节其谐振频率温度系数。本文采用Sr2+调节Mg(Ti0.95Zr0.05)O3陶瓷的谐振频率温度系数,研究了Sr对该陶瓷体系结构和微波介电性能的影响。

1 实验过程

1.1 实验用原料

实验用原料如表1所示

1.2 实验方法

采用传统陶瓷制备工艺,按摩尔比Mg O∶Sr CO3∶Ti O2∶Zr O2=(1-x)∶x∶0.95∶0.05,其中x=0、0.03、0.05和0.07配料,以去离子水为介质,用行星球磨机球磨6小时,烘干后于1150℃预烧4小时。将预烧料于行星球磨机中二次球磨,烘干后加入5%PVA水溶液造粒。用粉末压片机于180MPa下压制成直径8mm,厚度约5mm的小圆柱,排胶后,在1330-1420℃烧结4小时。

采用阿基米德排水法测试烧结体密度,用荷兰帕纳科X射线(XRD)衍射仪分析陶瓷晶体结构和物相;陶瓷显微结构采用日本日立TM1000扫描电子显微镜(SEM)观察;微波介电性能采用美国安捷伦E4980矢量网络分析仪结合谐振腔法测定。谐振频率温度系数分别测定TE01模谐振器20和80℃下的谐振频率,根据公式TCF=(f80-f20)/(60×f20)计算得出。

2 结果与讨论

在不同温度下烧结陶瓷的体密度随温度如图1所示。样品的体密度随着x的增加略有增加,随着烧结温度的升高而增大。当在1390℃烧结时,无论x取何值,样品的体密度均为3.8~3.9g/cm3,进一步提高烧结温度,密度略有下降。然而,该密度值比Tseng等[5]研究所得数据(大约为4.5g/cm3)要低。为了对比这样的差异,采用XRD分析了样品的物相组成和晶体结构,如图2所示。可以很明显的看到当x=0时,主晶相为MZT,并有少量的Mg Ti2O5相产生(简称为MT2)。Tseng等发现在MZT陶瓷中Mg0.25Zr0.38Ti0.38O1.75(密度为4.76g/cm3)[7]相的产生会提高样品的密度,但是在本文中,有少量的MT2相(密度为3.6g/cm3)[11]存在,这也就是所得的密度较之报道较低的原因。随着x值的不断增加,出现了Sr Ti O3(STO)相,结果表明该陶瓷样品是由多相物质构成的复相陶瓷。

在1390℃烧结4小时所得的MZT-STO陶瓷的表面微观形貌如图3所示。所有的样品都获得了均匀致密的微观结构,平均晶粒尺寸随着Sr含量的增加而增大,没有气孔产生。Tseng等[5]在进行SEM和EDS分析时,发现粉末状颗粒为MZT相。另外,在所有样品中都观察到棒状颗粒。研究表明在Mg Ti O3基陶瓷中,其棒状的晶粒是MT2相[9,11],这与XRD分析结果一致。

陶瓷的微波介电性能随烧结温度的变化关系如图4所示,可以很明显地观察到,随烧结温度的升高,介电常数的变化趋势与体积密度具有相同的变化趋势。对每一种组成,品质因数和介电常数的最大值均在体密度最大处获得。当在1390℃烧结时,随着x值的增加,样品的介电常数从18.4增加到21.7。正如SEM和XRD所描述的那样,本文中的陶瓷由三种相组成,因此介电常数的变化可以通过以下的对数混合法则[13]来解释:ln K=VMZTln KMZT+VSTOln KSTO+VMT2ln KMT2,这里的K和V分别是每种相的介电常数和体积分数。尽管每种相的体积分数难以具体确定,但仍然可以推测出随着x值的增加介电常数会有所增加,这是因为MZT、STO和MT2的介电常数分别是18.1、290和17.1[5,14,12]。事实上,当陶瓷样品在1390℃烧结时,随着x值的增加,样品的介电常数从18.4增加到21.7。在本文中,没有进行掺杂的MZT的Qf值为274000GHz,比Tseng等得到数值(约为380000GHz)低,这可能是由于样品中出现了具有较低Qf值(47000GHz)[10]的MT2相所导致的。在1390℃烧结时,随着x值的增加,样品的Qf值从274000GHz降低到156000GHz,这是主要可以归结于随着Sr的引入,陶瓷中形成了Sr Ti O3(STO)相,而由于STO的Qf值约为4800GHz[14],因此随着x值得增加,其品质因子下降。

对没有掺杂的MZT陶瓷在1390℃烧结时,所得样品TCF值约为-57ppm/℃,比Tseng等报道的值(-50ppm/℃)低,这主要是由于MT2相的形成,它的TCF值为-66ppm/℃[11]。另外由于Sr2+的引入,导致了STO相的产生,并且由于STO具有正的TCF值,约为+1650ppm/℃[14],因此随着x的增加,TCF值从-57ppm/℃向正方向漂移,当x=0.07时,达到30.5ppm/℃。其中,当x=0.05时,在1390℃烧结所得的样品具有近零的TCF(2.1ppm/℃)。

3 结论

总之,通过传统工艺制得了Sr O掺杂Mg(Ti0.95Zr0.05)O3陶瓷,并对其相组成和微波介电性能进行了研究。通过增加Sr含量,介电常数得到增加、品质因数有所降低,其谐振频率温度系数向正方向漂移。特别地,当Sr2+=0.05时,在1390℃烧结4小时,制备出的样品具有优异的微波介电性能:介电常数K=20.9、品质因子Qf=207000(11.8GHz下损耗tanδ=5.7×10-5)、TCF=2.1ppm/℃。该陶瓷体系有望应用于微波高频段谐振器或滤波器。

摘要：为了提高具有超低损耗Mg(Zr0.05Ti0.95)O3陶瓷的温度稳定型,采用Sr2+掺杂来对其进行改性研究。采用传统固相法制备了摩尔比Mg∶Sr∶Zr∶Ti∶O=1-x∶x∶0.05∶0.95∶3(x=0、0.03、0.05和0.07)陶瓷,利用XRD和SEM分析其结构和相组成。随着Sr含量的增加,陶瓷中出现了SrTiO3相,起到了补偿Mg(Zr0.05Ti0.95)O3温度系数的作用。当Mg∶Sr=0.95∶0.05,1390℃烧结4小时的陶瓷一个近零的温度系数(2.1ppm/℃),高的品质因子(207000)以及一个高的介电常数(20.9)。该陶瓷有望应用现代微波领域。