微細(xì)熱電偶的制作與時(shí)間常數(shù)標(biāo)定

摘要:在瞬態(tài)溫度測(cè)量中,為了得到的測(cè)量結(jié)果,要求熱電偶具有良好的快速響應(yīng)特性,其時(shí)間常數(shù)越小越好。借助于數(shù)字顯微放大鏡觀察,以微細(xì)銅絲和康銅絲(φ0.05mm)焊接制備了快速響應(yīng)熱電偶;為了對(duì)時(shí)間常數(shù)標(biāo)定,采用單片機(jī)控制電子開關(guān)閉合讓激光器立即工作產(chǎn)生瞬時(shí)溫度階躍，建立了測(cè)定熱電偶動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并用該系統(tǒng)測(cè)定了Cu/CuNi快速響應(yīng)熱電偶的時(shí)間常數(shù)。結(jié)果表明,制備的微細(xì)熱電偶響應(yīng)時(shí)間達(dá)到(118.8+1.64)ms;利用該系統(tǒng)對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,結(jié)果可靠、設(shè)備簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉,實(shí)用性較好。
1引言
　　熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.價(jià)格便宜、測(cè)量范圍廣,被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。針對(duì)普通熱電偶,為提高測(cè)溫精度已進(jìn)行了廣泛研究",開發(fā)了基于K型熱電偶專用信號(hào)處理集成芯片MAX6675的測(cè)溫系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和設(shè)計(jì)成本。但普通熱電偶響應(yīng)時(shí)間一般都在2s以上3],難以滿足特定工況下對(duì)瞬態(tài)溫度的要求,例如在研究高速列車快速通過鋼軌時(shí),測(cè)量輪軌接觸區(qū)域溫度的熱電偶要求響應(yīng)時(shí)間要小于2ms;研究?jī)?nèi)燃機(jī)在全負(fù)荷狀態(tài)下工作時(shí)燃燒室內(nèi)壁的瞬態(tài)溫度時(shí),要求熱電偶響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在1~2ms[4];研究均勻液滴噴射飛行過程中溫度的變化時(shí),冷卻速率達(dá)-3.76℃/mm。在瞬態(tài)溫度測(cè)量過程中,由于普通熱電偶響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),熱慣性大,測(cè)量溫度比真實(shí)溫度時(shí)間滯后,這無法滿足快速的反映真實(shí)溫度的要求。因此制備快速響應(yīng)熱電偶及其時(shí)間常數(shù)的確定對(duì)保證瞬態(tài)溫度的測(cè)量有重要意義。
　　關(guān)于瞬態(tài)溫度,許多學(xué)者利用薄膜熱電偶來測(cè)試。采用0.5~1.0μm的多點(diǎn)薄膜熱電偶(TFTC)在磨削工作表面陣列分布以測(cè)量和研究金剛石砂輪與花崗石摩擦界面能量傳輸特征。通過在摩擦接觸表面布置一系列薄膜熱電偶(厚35μm)來測(cè)得表面溫度,其具有較小的熱慣性、較高的靈敏度、測(cè)試數(shù)據(jù)較為正確。但薄膜熱電偶現(xiàn)在技術(shù)還不夠完善，結(jié)點(diǎn)面積較大(>4mm2),而摩擦過程中，微凸體接觸時(shí)的半徑只有幾到幾十微米,這意味著薄膜熱電偶反映的只是薄膜本身的溫度平均值,即局部區(qū)域的平均溫度,而不是閃點(diǎn)溫度。所以采用薄膜熱電偶測(cè)得的最大溫度值并不可靠。
　　在確定熱電偶時(shí)間常數(shù)時(shí),大都采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定,而不用理論方法計(jì)算。最常用的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法是溫度階躍法[8],即給熱電偶輸人階躍信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),從輸出的階躍信號(hào)響應(yīng)曲線上直接得到時(shí)間常數(shù)。實(shí)驗(yàn)方法主要有:投人法、熱風(fēng)洞法、電加熱法、激波管法、激光調(diào)制法等。這幾種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如投入法由于人手反應(yīng)慢,對(duì)具有較小時(shí)間常數(shù)的熱電偶測(cè)量時(shí)不適用;熱風(fēng)洞法1011設(shè)備復(fù)雜、使用費(fèi)用昂貴、輸人信號(hào)并不是理想的階躍信號(hào),對(duì)小慣性熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的誤差;電加熱法也同樣具有上述問題;激波管法[14]在產(chǎn)生溫度階躍后保持的時(shí)間短,不能使熱電偶輸出響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，故也無法得到可靠的時(shí)間常數(shù)值;激光調(diào)制法['5]由于其.性能優(yōu)良,對(duì)毫秒及亞毫秒量級(jí)熱電偶時(shí)間常數(shù)的測(cè)量結(jié)果好,不足的是整套設(shè)備復(fù)雜、昂貴,不便于廣泛使用。目前制約用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定毫秒級(jí)及以下量級(jí)熱電偶時(shí)間常數(shù)的最主要因素是如何獲得理想的階躍溫度。
　　以微細(xì)銅/康銅絲制備快速響應(yīng)熱電偶,在自然環(huán)境中用波長(zhǎng)為650nm的普通小功率紅光激光器作為加熱熱源,提供階躍溫度,獲得了較理想的正、負(fù)階躍溫度,測(cè)定了毫秒級(jí)熱電偶時(shí)間常數(shù)。
2測(cè)量原理
　　熱電偶的動(dòng)態(tài)特性問題的分析模型,通常是在忽略熱電偶內(nèi)部溫度分布、自身導(dǎo)熱和與環(huán)境輻射換熱的假設(shè)條件下,按一階常微分方程來處理。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，微分方程如下:
 
　　式中:τ為熱電偶的時(shí)間常數(shù),T、Tg分別為熱電偶與被測(cè)介質(zhì)的溫度,ρ、cp、V、A分別為熱電偶密度、定壓比熱容、熱電偶熱接點(diǎn)的體積和表面積,h為熱電偶與周圍被測(cè)介質(zhì)間的對(duì)流換熱系數(shù),1為時(shí)間。
　　時(shí)間常數(shù)由下列因素決定:1)熱電偶的幾何參數(shù)V.A;2)熱電偶的物性參數(shù)ρ、cp;3)熱電偶與被測(cè)介質(zhì)間的對(duì)流換熱系數(shù)h。所以,熱電偶時(shí)間常數(shù)既與自身特性有關(guān),也與被測(cè)對(duì)象特性有關(guān)。
由式(3)得熱電偶的階躍響應(yīng):
 
　　式中:T為熱電偶指示溫度,T0為初始溫度,T。為溫度階躍后的終值,Υ為時(shí)間常數(shù),τ為熱電偶對(duì)溫度階躍信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)t=Υ時(shí),式(4)變?yōu)?
 
(5)可以看出,熱電偶指示溫度T與初始溫度T。的差值(T-T0)達(dá)到溫度階躍量(Te-T0)的0.632倍時(shí)所需的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)τ。此即為時(shí)間常數(shù)的通常定義,同時(shí)也說明了用實(shí)驗(yàn)測(cè)量熱電偶時(shí)間常數(shù)的方法:給熱電偶結(jié)頭加熱的熱源需要瞬時(shí)加熱和冷卻,使熱電偶結(jié)頭處產(chǎn)生瞬時(shí)溫度階躍變化,繪制出其響應(yīng)曲線,通過作圖直接讀出0.632(Te-T0)與T。所對(duì)應(yīng)的測(cè)試時(shí)間差即為熱電偶時(shí)間常數(shù)τ。圖1所示為在前述假設(shè)的--階系統(tǒng)條件下,熱電偶對(duì)階躍溫度的響應(yīng)曲線,可以看出只要在響應(yīng)曲線上得到T0、Te、0.632(Te-T0),那么時(shí)間常數(shù)τ可直接得到。
 
3實(shí)驗(yàn)方法
3.1熱電偶的制作
　　熱電偶的時(shí)間常數(shù)與自身幾何參數(shù)間有很大關(guān)系,其熱接點(diǎn)越小、熱慣性就越小、響應(yīng)速度越快、反應(yīng)也越靈敏。實(shí)驗(yàn)中所用的熱電偶由直徑為0.05mm的微細(xì)銅/康銅絲制成(圖2)。首先將兩種偶絲絞接，并擰成麻花狀，完成后用剪刀將端部裁剪齊整，鉸接段越短越好;然后采用可控脈沖放電裝置進(jìn)行焊接，焊接時(shí)擰制處將形成熱接點(diǎn);最后將焊接點(diǎn)置于數(shù)字顯微放大鏡下，通過計(jì)算機(jī)屏幕，從多角度觀察焊接點(diǎn)是否牢固、光滑、形狀是否滿足要求，否則重復(fù)上述過程，直到滿足要求。焊接時(shí)應(yīng)盡量使熱電偶焊接點(diǎn)呈微小的光滑圓球狀,并且越小越好。由于焊接效果的好壞直接關(guān)系到熱電偶的質(zhì)量和可靠性，所以在熱電偶的整個(gè)制作過程中，一定要細(xì)心和耐心。
 
3.2標(biāo)定方法
　　要想測(cè)量毫秒量級(jí)或微秒量級(jí)熱電偶的時(shí)間常數(shù)，要求加熱(或冷卻)產(chǎn)生的瞬時(shí)溫度階躍上升(或下降)時(shí)間遠(yuǎn)小于熱電偶的時(shí)間常數(shù),這樣才能使測(cè)量的結(jié)果具有較高的正確性和可靠性。熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。由于激光具有能量高、傳速快方向性強(qiáng)等特性，故加熱熱源采用一-波長(zhǎng)為650nm的普通紅光激光器，功率為1W。功率場(chǎng)效應(yīng)管的響應(yīng)速度可達(dá)到5μs,因此采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為電子開關(guān)控制激光器的通斷電速度。丹麥B&K公司的高速數(shù)據(jù)采集器3560C集濾波與放大功能于一身20，自帶的7700平臺(tái)軟件，可直接用于熱電偶測(cè)溫,不用再單獨(dú)設(shè)計(jì)放大電路和濾波電路，因此可快速采集到實(shí)驗(yàn)的熱電勢(shì)值，其采樣頻率最大可達(dá)到25.6kHz,完全能夠反映并采集熱電偶對(duì)階躍溫度的響應(yīng)情況，故在測(cè)量過程中使用高速數(shù)據(jù)采集器記錄響應(yīng)信號(hào)。工作過程是:在實(shí)驗(yàn)開始前，首先將已靜態(tài)標(biāo)定好的自制熱電偶置于穩(wěn)定的室溫氣流中，對(duì)激光調(diào)焦，使其焦點(diǎn)恰好對(duì)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量端并固定，然后將熱電偶另一端置于冰水浴中作為參考端。先后開啟高速數(shù)據(jù)采集器和單片機(jī)電源，通過高速數(shù)采記錄熱電偶在升降溫過程對(duì)階躍溫度的響應(yīng)信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上處理數(shù)據(jù)獲得熱電偶對(duì)階躍溫度的響應(yīng)曲線，進(jìn)而得到其時(shí)間常數(shù)。
 
　　電子開關(guān)的設(shè)計(jì)原理是:利用單片機(jī)控制輸出高電平時(shí),電子開關(guān)斷開，激光器不工作;輸出為低電平時(shí),電子開關(guān)閉合，激光器立即工作。為記錄熱電偶在產(chǎn)生階躍溫度前的初始溫度信號(hào)，單片機(jī)在輸出低電平之前，持續(xù)輸出一段高電平。因此在單片機(jī)開始工作之前先開啟高速數(shù)據(jù)采集器記錄初始溫度信號(hào)，然后開啟單片機(jī)控制電子開關(guān)閉合讓激光器立即工作，高速數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集熱電偶從初始溫度開始到產(chǎn)生階躍溫度后整個(gè)過程的響應(yīng)信號(hào)121。此外，在溫度階躍量的設(shè)置以及階躍溫度響應(yīng)終止點(diǎn)的選取上還應(yīng)注意,因?yàn)槎叽笮〉拇_定將直接影響到τ值,按之前假設(shè)的一階系統(tǒng)響應(yīng)特性模型,可知溫度階躍與激光器加熱時(shí)間的關(guān)系,當(dāng)t=5τ時(shí)，(T-T0)/(Te-T0)=0.993,故當(dāng)t≥5τ時(shí),可認(rèn)為T=Te,即激光加熱時(shí)間在5τ以后階躍溫度趨于達(dá)到穩(wěn)態(tài)。所以,想要得到時(shí)間常數(shù)τ的值,則熱電偶加熱的終止時(shí)間應(yīng)為熱電偶時(shí)間常數(shù)的5倍以上。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
　　圖4所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的自制Cu/CuNi小慣性熱電偶對(duì)階躍溫度的響應(yīng)曲線。從圖4中可以看出,熱電勢(shì)隨時(shí)間的變化響應(yīng)曲線可分為3個(gè)階段:上升段為加熱階段、水平段為動(dòng)態(tài)熱平衡階段、下降段為冷卻階段。在加熱段,熱電偶在激光光束的加熱作用下,熱接點(diǎn)吸收的熱量大于自身向外輻射和自然對(duì)流損失的熱量,熱接點(diǎn)溫度迅速升高產(chǎn)生正階躍溫度;在熱平衡段,熱電偶接點(diǎn)吸收的激光光束能量等于自身散失的能量,熱電偶的溫度維持在一穩(wěn)定值;在冷卻段,激光光束停止加熱,熱電偶通過自身向外輻射和自然對(duì)流作用散熱,溫度降低,直至達(dá)到環(huán)境溫度,產(chǎn)生負(fù)階躍溫度。根據(jù)圖形數(shù)據(jù),波形電壓幅值為13.8mV,此時(shí)階躍溫度達(dá)到318C,從得到的響應(yīng)曲線上可直接讀出τ值，即在該狀態(tài)下正溫度階躍時(shí)熱電偶響應(yīng)時(shí)間約為118.8ms,負(fù)溫度階躍時(shí)熱電偶響應(yīng)時(shí)間約為115.2ms。
 
　　對(duì)同一根熱電偶進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),測(cè)出每次被測(cè)熱電偶的時(shí)間常數(shù)τ,取平均值`τ作為該熱電偶時(shí)間常數(shù)的真值,用標(biāo)準(zhǔn)差σ表示每次測(cè)量結(jié)果間的離散程度,熱電偶的動(dòng)態(tài)重復(fù)性用標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比的百分?jǐn)?shù)Rd來表征;用不確定度U來表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信賴度,包括A類不確定度和B類不確定度。其中A類不確定度UA由σ組成,B類不確定度UB主要由高速數(shù)采和電子開關(guān)引起,各計(jì)算公式如下:
 
　　對(duì)自制的同一熱電偶進(jìn)行了3次測(cè)試,在溫度的正階躍階段的結(jié)果分別為:120.6、118.4、117.4ms。將測(cè)試結(jié)果代人，上述各式中,有`τ=118.8ms,σ≈1.64ms,Rd=0.11%，U≈1.64ms。由測(cè)量結(jié)果的平均值和不確定度,得出該熱電偶的時(shí)間常數(shù):`τ=(118.8±1.64)ms。在溫度的負(fù)階躍階段結(jié)果分別為:115.2、112.3、116.9ms,同理得到在負(fù)階躍時(shí)該熱電偶的時(shí)間常數(shù)τ=(114.8±2.33)ms。上述結(jié)果表明,即使是同一熱電偶，在同一次測(cè)量過程中溫度的正、負(fù)階躍階段,其時(shí)間常數(shù)值也不相同。該現(xiàn)象主要是由熱電偶熱接點(diǎn)與周圍環(huán)境換熱條件不同造成的。在溫度的正階躍階段,熱電偶受激光光束加熱、自然對(duì)流和自身向外輻射散熱的共同作用,該散熱(尤其是輻射散熱)在溫度較低時(shí)并不明顯,所以此階段開始時(shí)溫升很快，曲線值急劇增加,但當(dāng)散熱達(dá)到與加熱熱量快相同的數(shù)量級(jí)時(shí),減緩了熱接點(diǎn)溫度升高的趨勢(shì),直至加熱量等于散熱量，此時(shí)熱電偶溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài);而在隨后溫度的負(fù)階躍階段熱電偶僅受自然對(duì)流和自身向外輻射的散熱作用,在此階段初始時(shí)刻熱電偶溫度較高,散熱量(主要是輻射散熱量)較大,溫度急劇下降,隨后趨勢(shì)逐漸減緩直至達(dá)到環(huán)境溫度,在該過程中溫度隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律遞減。整個(gè)測(cè)量過程中,單位時(shí)間內(nèi)熱電偶熱接點(diǎn)在正階躍階段疊加后的平均加熱量稍小于負(fù)階躍階段的平均散熱量,使得正階躍階段比負(fù)階躍階段達(dá)到熱平衡態(tài)的時(shí)間稍晚些，導(dǎo)致正階躍階段的時(shí)間常數(shù)稍大于負(fù)階躍時(shí)的時(shí)間常數(shù)。.
5結(jié)論
　　借助數(shù)字顯微放大鏡制成了直徑為0.05mm的微細(xì)銅/康銅絲熱電偶,其響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí);
　　利用單片機(jī)、電子開關(guān)、小型紅外激光器獲得了較為理想的正、負(fù)階躍溫度,利用高速數(shù)據(jù)采集器快速采集到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該方法對(duì)快速響應(yīng)熱電偶的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果可靠、設(shè)備簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉,實(shí)用性較好。因此,該方法對(duì)于解決快速響應(yīng)熱電偶時(shí)間常數(shù)的測(cè)量問題具有較大的實(shí)用價(jià)值。