一種用于高速氣流瞬態(tài)測(cè)溫的快速響應(yīng)熱電偶

摘要：為測(cè)量氣體高速流動(dòng)過程中溫度的變化情況,人們對(duì)溫度傳感器的快速響應(yīng)特性提出了更高的要求.為此,采用直徑為30µm的銅絲和康銅絲,利用可控脈沖放電裝置焊接制作了T型快速響應(yīng)熱電偶,并測(cè)定了熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,得到該熱電偶時(shí)間常數(shù)約為40ms.考慮到熱電偶絲對(duì)感溫結(jié)點(diǎn)附近流體狀態(tài)的影響,以及熱電偶的鎧裝結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)點(diǎn)附近流場(chǎng)的影響,快速響應(yīng)熱電偶使用新型鎧裝結(jié)構(gòu),感溫結(jié)點(diǎn)裸露,具有更高的可靠性和更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.
       應(yīng)用快速響應(yīng)溫度傳感器測(cè)量高速氣流的溫度變化趨勢(shì),在一些研究中顯得尤為重要,如乙醇液滴撞擊鎳的高溫?zé)岜砻婧螽a(chǎn)生瞬間過渡沸騰現(xiàn)象,空調(diào)壓縮機(jī)和再生器的工作過程控制2，內(nèi)燃機(jī)表面的溫度測(cè)量B4,航天器飛行過程中表面溫度的研究凹等對(duì)于瞬態(tài)測(cè)溫，普遍應(yīng)用的方法有薄膜熱電偶測(cè)溫凹和熱電阻測(cè)溫凹針對(duì)轟爆氣體和火焰的溫度測(cè)量，其響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí),能滿足大多數(shù)研究的要求但是，這兩種熱電偶的售價(jià)高昂，而且進(jìn)口手續(xù)復(fù)雜，供貨期長(zhǎng)，其鎧裝結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)原流場(chǎng)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致測(cè)量不夠準(zhǔn).近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)瞬態(tài)測(cè)溫?zé)犭娕歼M(jìn)行了研究中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的周--欣和劉靜圖使用電解腐蝕的方法，用100μm普通熱電偶絲制作了尖端直徑在10~20um的熱電偶絲并制成熱電偶，但經(jīng)過腐蝕的銅絲無法保證直徑均勻,而且非常脆弱,焊接難度大，焊接成功率較低，以50um熱電偶絲焊接制成了時(shí)間常數(shù)為(118土1.64)ms的快速響應(yīng)熱電偶
       目前能夠在較為惡劣環(huán)境下使用的熱電偶，大多.數(shù)都使用保護(hù)套管鎧裝，把感溫結(jié)點(diǎn)與測(cè)量環(huán)境隔離開來這種方式雖能對(duì)熱電偶起到很好的保護(hù)作用,但是感溫結(jié)點(diǎn)想要感受到溫度變化，熱量需要先通過保護(hù)套管才能傳遞到感溫結(jié)點(diǎn),導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng),無法滿足于高速氣流瞬態(tài)溫度測(cè)量110
因此，對(duì)于高速氣流瞬態(tài)測(cè)溫?zé)犭娕嫉难兄品浅１匾疚氖褂酶?xì)的熱電偶絲，采用更加合理的結(jié)構(gòu),制備了一種微細(xì)熱電偶，使其能夠在流道內(nèi)對(duì)高速氣流進(jìn)行測(cè)溫，且具有響應(yīng)迅速、測(cè)溫正確、制作成本低、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)
1快速響應(yīng)熱電偶測(cè)量原理
      兩種不同導(dǎo)體首尾相連組成閉合回路，如果兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度不同，則會(huì)在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)，也叫做第一熱電效應(yīng)利用此效應(yīng)，使用微細(xì)銅絲和康銅絲焊接制成T型快速響應(yīng)熱電偶來測(cè)量?jī)山Y(jié)點(diǎn)的溫度差
      應(yīng)用于高速氣流瞬態(tài)測(cè)溫的快速響應(yīng)熱電偶不同于普通熱電偶，在使用中需要滿足以下幾點(diǎn)要求(1)足夠快的響應(yīng)速度,(2)良好的密封性;(3)足以應(yīng)對(duì)高速氣體沖擊的物理強(qiáng)度，(4)盡量不對(duì)原有的氣體流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響.
      熱電偶測(cè)溫時(shí)，感溫結(jié)點(diǎn)內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻明顯小于其表面的換熱熱阻、如尺寸為um級(jí)的熱電偶，對(duì)流速在2~300m/s范圍內(nèi)的低溫空氣測(cè)溫時(shí)，導(dǎo)熱熱阻比對(duì)流熱阻小3個(gè)數(shù)量級(jí),Bi≤01,滿足集中參數(shù)法的適用條件因此,對(duì)此問題做分析時(shí)，采用集中參數(shù)法來解決其數(shù)學(xué)描述為

式中p,c,V,t分別為感溫結(jié)點(diǎn)的密度、比熱容、體積和溫度,tg為被測(cè)物體攝氏溫度,A為感溫結(jié)點(diǎn)參與換熱的表面積，h為復(fù)合傳熱系數(shù).在測(cè)溫過程中，感溫結(jié)點(diǎn)受到兩種熱量傳遞方式的同時(shí)作用:流體與感溫結(jié)點(diǎn)表面的對(duì)流傳熱，被測(cè)介質(zhì)及感溫結(jié)點(diǎn)周邊固體壁面與感溫結(jié)點(diǎn)的輻射傳熱因此,復(fù)合傳熱系數(shù)h可寫作

式中,h。為對(duì)流傳熱系數(shù),h為等效輻射傳熱系數(shù)
時(shí)間常數(shù)t。作為熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)，其定義式為
τc越小，則響應(yīng)速度越快,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性越好.感溫結(jié)點(diǎn)可近似看作球體,將球體體積公式和表面積公式分別帶入時(shí)間常數(shù)定義式,得

      由于密度ρ和比熱容c均為常數(shù)，因此想要使時(shí)間常數(shù)減小，就要減小半徑r,增大復(fù)合傳熱系數(shù)ht
     在一定流速下，對(duì)流傳熱系數(shù)可近似用流體外掠圓球的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

      式中,λ,u,ν,a分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)、速度、運(yùn)動(dòng)黏度、熱擴(kuò)散率;l為特征長(zhǎng)度,此處為球體直徑d;η∞為遠(yuǎn)處來流的動(dòng)力黏度;ηw為球體表面流體的動(dòng)力黏度.式(6)中只有特征長(zhǎng)度和氣流速度為變量,其他參數(shù)均為一定溫度下的常數(shù).由此可知,要得到理想的對(duì)流換熱系數(shù),主要考慮氣流速度和感溫結(jié)點(diǎn)尺寸.
      由于被測(cè)氣體的物性參數(shù)各有不同,對(duì)不同氣體測(cè)溫時(shí),感溫結(jié)點(diǎn)表面的等效輻射傳熱系數(shù)計(jì)算也不同.對(duì)于高溫?zé)煔鈱?duì)感溫結(jié)點(diǎn)的輻射傳熱,等效輻射傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[13]為

      式中,σ0為玻爾茲曼常數(shù),εf為煙氣黑度,εtc為感溫結(jié)點(diǎn)表面黑度,Tf為煙氣的開氏溫度,Ttc為感溫結(jié)點(diǎn)的開氏溫度.除了感溫結(jié)點(diǎn)的表面黑度,其他參數(shù)均與熱電偶本身無關(guān),而表面黑度又很難被干預(yù).用感溫結(jié)點(diǎn)尺寸為μm級(jí)的熱電偶測(cè)量高溫?zé)煔鉁囟葧r(shí),溫度低于500K的煙氣對(duì)感溫結(jié)點(diǎn)的等效熱輻射傳熱系數(shù)與其對(duì)流傳熱系數(shù)相差3個(gè)數(shù)量級(jí);煙氣溫度高于500K時(shí),僅相差兩個(gè)數(shù)量級(jí).因此,煙氣輻射傳熱在溫度較低時(shí)可忽略不計(jì).
     感溫結(jié)點(diǎn)與周邊固體壁面的輻射傳熱引起的相對(duì)誤差δ可用下式計(jì)算[11]:

      式中,C0為黑體輻射系數(shù),tf為煙氣的攝氏溫度,Tw為流道內(nèi)壁的開氏溫度.由式(8)可知,對(duì)流傳熱系數(shù)hc與相對(duì)誤差δ成反比.對(duì)于流速較大的氣體,感溫結(jié)點(diǎn)表面的對(duì)流傳熱系數(shù)較大,因此誤差較小.
綜上,測(cè)量高速氣體瞬態(tài)溫度變化,它的對(duì)流傳熱部分與流體速度及感溫結(jié)點(diǎn)直徑大小有關(guān).速度越大、直徑越小,則對(duì)流換熱系數(shù)hc越大.對(duì)流傳熱也影響感溫結(jié)點(diǎn)周邊的壁面輻射帶來的誤差.對(duì)流傳熱系數(shù)越大,則相對(duì)誤差越小.
2快速響應(yīng)熱電偶的制作
2.1熱電偶絲材料選擇
      在制作熱電偶的過程中,由于熱電偶絲的直徑非常小,難以觀察和操作,制作本身有很大難度.為節(jié)省成本,采用便宜易得的T型熱電偶(銅-康銅熱電偶).T型熱電偶的使用溫度為−200~300°C[14,15],滿足一般流體測(cè)溫要求;而且T型熱電偶精度高、熱電極均勻性好,在測(cè)溫范圍內(nèi)靈敏度也比較高.市面上能夠購(gòu)買到的T型熱電偶微細(xì)熱電偶絲直徑有30,40,50µm.
2.2熱電偶感溫結(jié)點(diǎn)焊接
      熱電偶感溫結(jié)點(diǎn)半徑越小,時(shí)間常數(shù)越小.感溫結(jié)點(diǎn)由兩種熱電偶絲熔焊而成.焊接過程中需要注意對(duì)各種變量的控制,主要有焊接電壓的大小、焊接的持續(xù)時(shí)間等.這些變量決定了焊接時(shí)電火花所產(chǎn)生的熱量大小.發(fā)熱量大,則熔融的偶絲長(zhǎng)度較長(zhǎng),感溫結(jié)點(diǎn)直徑較大;反之則小.焊接時(shí)要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)這些變量大小,得到理想尺寸的感溫結(jié)點(diǎn).在焊接比較理想的情況下,感溫結(jié)點(diǎn)半徑一般為熱電偶絲半徑的2~3倍[16].
開始焊接之前,由于銅絲外層涂有絕緣漆,首先對(duì)焊接端進(jìn)行脫漆處理.具體操作:用電烙鐵頭蘸上松香,高溫使松香熔化.將漆包線接觸松香,當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)絕緣漆脫落.之后用棉簽蘸少量酒精,擦去銅絲表面殘?jiān)?為了使熱電偶的焊接結(jié)點(diǎn)足夠小,兩種熱電偶絲的接觸必須足夠緊密.為此,先將處理過的銅絲與康銅絲鉸接,擰成致密的麻花狀,完成后用剪刀將端部裁剪整齊(鉸接段越短越好),然后采用可控電容放電裝置進(jìn)行焊接[16].焊接時(shí),將鉸接后的端部輕觸碳棒,產(chǎn)生電弧,將兩種金屬絲焊接在一起.焊接時(shí)接觸碳棒不可太用力,否則焊接端容易在外力作用下拉開,導(dǎo)致焊接失敗.整個(gè)焊接過程應(yīng)一氣呵成,切忌多次焊接,否則易使焊接后的結(jié)點(diǎn)變大且表面不光滑,易產(chǎn)生氣孔和裂紋,且表面氧化現(xiàn)象嚴(yán)重,影響測(cè)量精度和準(zhǔn)度.焊接完成之后,將焊接點(diǎn)置于數(shù)字顯微放大鏡下,通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察焊接點(diǎn)是否呈一個(gè)光滑的圓球狀、尺寸是否較小、外形是否對(duì)稱,以保證感溫結(jié)點(diǎn)有足夠快的響應(yīng)速度和足夠的拉伸強(qiáng)度.否則,剪掉之前打磨焊接過的部分,重復(fù)上述焊接過程.焊接成功后,在顯微鏡觀察下,將焊接前鉸接在一起的鉸接段慢慢繞開,只留
下一個(gè)結(jié)點(diǎn).這樣熱電偶只有唯一的感溫結(jié)點(diǎn),避免了兩根偶絲因焊接點(diǎn)外其他地方接觸而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響.
      采用直徑為30µm的銅絲和康銅絲.經(jīng)過多次焊接,測(cè)得焊接結(jié)點(diǎn)(感溫結(jié)點(diǎn))均在100µm以內(nèi),重復(fù)性較好.圖1為數(shù)字顯微鏡下的自制熱電偶焊接結(jié)點(diǎn)(感溫結(jié)點(diǎn))放大圖.圖1(a)是熱電偶最終狀態(tài)時(shí)的照片,直徑為80µm;圖1(b)是熱電偶焊接時(shí)的狀態(tài).

2.3熱電偶的鎧裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
     由上文分析可知,用熱電偶進(jìn)行氣體測(cè)溫時(shí),氣體流速越大,熱電偶響應(yīng)速度越快.在實(shí)際應(yīng)用中,為了使熱電偶能夠滿足實(shí)際工況要求,一般都需要對(duì)其進(jìn)行鎧裝保護(hù).而不太合理的鎧裝結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)熱電偶周圍的流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響,導(dǎo)致測(cè)溫不正確.C5型號(hào)熱電偶為例,為了保證熱電偶感溫結(jié)點(diǎn)的物理強(qiáng)度,防止感溫結(jié)點(diǎn)因長(zhǎng)時(shí)間受到摩擦、沖刷、撞擊、腐蝕等而脫落或斷裂,將熱電偶絲鋪設(shè)在特定材料(如陶瓷、剛玉)的基體上.這樣的結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)附近的流場(chǎng)產(chǎn)生很大影響,因此這種結(jié)構(gòu)更加適合流體沖刷嚴(yán)重的場(chǎng)合.而在對(duì)普朗特?cái)?shù)較小的氣體測(cè)溫時(shí),氣流流速較慢,就會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差.所以,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮如何減小對(duì)原流場(chǎng)的影響.
     熱電偶絲的存在也會(huì)對(duì)感溫結(jié)點(diǎn)附近流體的狀態(tài)產(chǎn)生影響.熱電偶的時(shí)間常數(shù)有所差別.按照?qǐng)D2所示的熱電偶感溫結(jié)點(diǎn)與熱電偶絲的空間位置,當(dāng)流體速度方向與X方向一致時(shí),所得時(shí)間常數(shù)最小;流體速度方向與Z軸方向一致時(shí),時(shí)間常數(shù)最大.因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量使流體方向與X方向一致,以獲得最好的響應(yīng)特性.但是熱電偶絲太細(xì),難以達(dá)到這個(gè)目的.因此考慮將熱電偶絲的夾角增大,以減小熱電偶絲的影響.

      綜合以上兩點(diǎn),設(shè)計(jì)了如圖3所示的結(jié)構(gòu).兩根熱電偶絲分別從毛細(xì)管中穿出,毛細(xì)管提供支撐防護(hù)并避免相互接觸短路,使感溫結(jié)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn))遠(yuǎn)離鎧裝結(jié)構(gòu)基體,減小基體對(duì)測(cè)點(diǎn)附近流場(chǎng)的影響.感溫結(jié)點(diǎn)與流體直接接觸;兩根毛細(xì)管分別固定到不銹鋼管內(nèi)壁兩側(cè),將兩熱電偶絲分隔開,使得兩根熱電偶絲之間夾角增大,從而減小熱電偶絲對(duì)測(cè)點(diǎn)流體狀態(tài)的影響.在實(shí)際測(cè)溫時(shí),流體流經(jīng)圓柱狀的毛細(xì)管時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),為了防止熱電偶絲因毛細(xì)管振動(dòng)而被拉斷,熱電偶絲不能被約束太緊.

2.4熱電偶的鎧裝結(jié)構(gòu)制作
     鎧裝結(jié)構(gòu)如圖3所示.具體制作過程:首先將焊接好的熱電偶絲穿入陶瓷毛細(xì)管,陶瓷管能起到很好絕緣效果并提供支撐.在陶瓷管外再套一層直徑為0.1mm的不銹鋼毛細(xì)管,用來增加強(qiáng)度保護(hù)陶瓷管,防止陶瓷管被高速氣流沖擊而折斷.將感溫結(jié)點(diǎn)暴露于兩陶瓷毛細(xì)管的中心位置.陶瓷管和不銹鋼毛細(xì)管均穿入粗不銹鋼管一定長(zhǎng)度,在毛細(xì)管末端套上橡膠管,將熱電偶絲與不銹鋼管內(nèi)壁隔離開來,保證熱電偶絲與不銹鋼管絕緣,避免熱電偶絲與不銹鋼管接觸而引入干擾信號(hào).為了保證密封性,不銹鋼管內(nèi)需要注入足夠的環(huán)氧樹脂,樹脂密封層內(nèi)不應(yīng)有氣孔、夾層.絕緣橡膠管割出若干小口,以便環(huán)氧樹脂流入.注入環(huán)氧樹脂后,將封裝的熱電偶傳感器放入高溫恒溫室固化,溫度設(shè)置為40~50°C.溫度不宜太高,也不宜太低.若溫度太高,環(huán)氧樹脂內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生小氣孔,影響密封性;溫度太低,則流動(dòng)性差,內(nèi)部填充不均勻、不充分,且固化時(shí)間長(zhǎng).
圖4為自制熱電偶實(shí)物圖,圖中對(duì)可見部分做了標(biāo)識(shí).自制熱電偶主要由3部分組成:鎧裝部分、密封及定位組件、補(bǔ)償端插頭.補(bǔ)償端插頭為公頭,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有母頭與之配套,母頭側(cè)為熱電偶冷端及補(bǔ)償線.

3微細(xì)熱電偶時(shí)間常數(shù)的標(biāo)定
      由于影響時(shí)間常數(shù)的因素非常多,且比較復(fù)雜,如感溫結(jié)點(diǎn)與熱電偶絲之間的熱傳導(dǎo)、感溫結(jié)點(diǎn)與所處環(huán)境之間的熱輻射和熱對(duì)流,難以用理論計(jì)算的方法獲得正確的數(shù)值解,因此實(shí)際應(yīng)用中采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法獲得其時(shí)間常數(shù).給熱電偶測(cè)溫點(diǎn)一個(gè)定量的溫度階躍,以熱電偶溫度階躍的63.2%所對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)(時(shí)間常數(shù)的定義)來表示熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間常數(shù),用公式表示為

     式中u0為熱電偶初始電動(dòng)勢(shì),ub為激光照射下感溫結(jié)點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡時(shí)的電動(dòng)勢(shì).得到u0和ub后即可得到ug,查找ug對(duì)應(yīng)的時(shí)刻τg,減去溫度階躍的開始時(shí)刻τ0即可得時(shí)間常數(shù)τc.
      對(duì)于毫秒級(jí)熱電偶時(shí)間常數(shù)的測(cè)定,較為理想的溫度階躍是必需的.溫度階躍的上升時(shí)間要遠(yuǎn)小于熱電偶的時(shí)間常數(shù),這樣才能使測(cè)量結(jié)果具有較高的正確性和可靠性.常用的實(shí)驗(yàn)方法主要有投入法[18]、熱風(fēng)洞法[19]、電加熱法、激波管法[20~22]等.這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),通過對(duì)比綜合考慮,本文在對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)完善,使用激光對(duì)熱電偶進(jìn)行加熱,獲得了較理想的正、負(fù)溫度階躍.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示.
     實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由控制開關(guān)、激光發(fā)射器、熱電偶、補(bǔ)償端、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等部分組成.標(biāo)定開始前,將整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)置于恒溫、氣流穩(wěn)定、無大型用電設(shè)備的室內(nèi)(防止信號(hào)干擾).由手控開關(guān)發(fā)出信號(hào),控制光耦隔離器的開關(guān),光耦隔離器啟動(dòng),觸發(fā)晶體管導(dǎo)通,激光器開始工作.熱電偶受到激光照射后溫度迅速上升,示波器通道一采集熱電偶產(chǎn)生的電信號(hào).同時(shí)光耦隔離器的輸出端并聯(lián)一路到示波器的通道二,通道二中信號(hào)突變瞬間即為溫度階躍的開始時(shí)刻.光耦隔離器的觸點(diǎn)開關(guān)響應(yīng)時(shí)間為4.9µs,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通電子開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間,也小于熱電偶的時(shí)間常數(shù),對(duì)標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì).用光耦隔離器將手控開關(guān)信號(hào)與激光器電源信號(hào)隔離開來,采用無觸點(diǎn)開關(guān),避免手控開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作所需時(shí)間給標(biāo)定結(jié)果帶來干擾.
      為了驗(yàn)證熱電偶絲直徑、焊接結(jié)點(diǎn)尺寸與時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系,用直徑為30,40,50µm的熱電偶絲分別焊接制成熱電偶,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn).
4標(biāo)定結(jié)果分析
      圖6所示為直徑30µm銅-康銅自制熱電偶對(duì)溫度階躍的響應(yīng)曲線圖,橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為熱電偶的輸出信號(hào).可以看出,標(biāo)定過程分為3個(gè)階段:正階躍階段、動(dòng)態(tài)平衡階段、負(fù)階躍階段.從0.5s處開始為正階躍階段,激光開啟,對(duì)熱電偶感溫結(jié)點(diǎn)進(jìn)行加熱,感溫結(jié)點(diǎn)受到激光輻射傳熱;與此同時(shí),感溫結(jié)點(diǎn)還與周圍環(huán)境存在熱輻射和自然對(duì)流傳熱,但激光輻射能量遠(yuǎn)大于熱電偶自身對(duì)外的散熱,溫度迅速上升.當(dāng)τ≥5τc時(shí)為動(dòng)態(tài)平衡階段,激光熱輻射能量等于自身散失的能量,感溫結(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.可以看出,在動(dòng)態(tài)平衡階段,電動(dòng)勢(shì)仍存在小的波動(dòng)情況,這是由外界環(huán)境變化引起的,如周圍空氣自然對(duì)流等的影響.激光關(guān)閉,進(jìn)入負(fù)階躍階段,激光與感溫結(jié)點(diǎn)間的輻射換熱消失,熱電偶通過與周圍環(huán)境的熱輻射及自然對(duì)流散熱,溫度迅速下降并最終與環(huán)境溫度一致.

      熱電偶絲越細(xì),時(shí)間常數(shù)越小,響應(yīng)速度越快,但價(jià)格也越高,也為制作帶來了更大的難度.為了節(jié)省成本,針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)要求,應(yīng)選擇適當(dāng)時(shí)間常數(shù)的熱電偶絲.本文對(duì)3種不同直徑的熱電偶絲所制作的熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定,作為選擇的依據(jù).我們制作了多支不同直徑的熱電偶,并在盡量保證其他因素(如環(huán)境溫度、激光器輸出功率、環(huán)境氣流等)不變的情況下對(duì)其進(jìn)行了大量標(biāo)定實(shí)驗(yàn).在不同直徑的熱電偶中各挑選了一支熱電偶,將其中一次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖7中展示.圖7(a)為熱電偶對(duì)溫度正階躍響應(yīng)曲線圖.3支熱電偶置于恒溫環(huán)境中,按直徑大小從小到大進(jìn)行測(cè)試,因此初始溫度基本一致.室溫隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行稍有上升,3支熱電偶的初始溫度分別為22.5,22.7,23.4°C.激光加熱功率不變,但由于感溫結(jié)點(diǎn)對(duì)焦情況不同,以及其物理性質(zhì)的差異,導(dǎo)致達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的最終溫度并不一致,略有差別,分別為309,355,334°C.溫度階躍幅值的不同會(huì)導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)不同.溫度階躍幅值越大,則時(shí)間常數(shù)越大,但影響十分有限[17].實(shí)驗(yàn)中3支熱電偶溫度階躍幅值差別不大,在實(shí)驗(yàn)中造成的影響可忽略不計(jì).

      可以明顯觀察到,直徑為30µm的熱電偶最先達(dá)到0.632倍階躍點(diǎn),40µm熱電偶次之,50µm熱電偶最慢.計(jì)算得到3支熱電偶的正階躍時(shí)間常數(shù)分別為52.0,73.6,80.3ms,隨熱電偶絲直徑增大而增大.圖7(b)為熱電偶對(duì)溫度負(fù)階躍響應(yīng)曲線圖.為了對(duì)比方便,將3支熱電偶的初始時(shí)刻至于同一時(shí)刻.可明顯觀察到,3支熱電偶的響應(yīng)速度隨熱電偶絲直徑增大而減小,30µm熱電偶率先下降到0.368倍階躍點(diǎn).計(jì)算得到的時(shí)間常數(shù)分別為39.2,60.2,75.1ms,與正階躍時(shí)間常數(shù)變化趨勢(shì)一致.
      圖8為熱電偶絲直徑與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系圖.可以看出:(1)在相同條件下,隨著熱電偶絲直徑增大,熱電偶時(shí)間常數(shù)增大.其原因是熱電偶絲越粗,在相同制作方法下的焊接結(jié)點(diǎn)越大,熱容就越大.(2)對(duì)于同一支熱電偶,正階躍情況下的時(shí)間常數(shù)大于負(fù)階躍情況下的時(shí)間常數(shù).這是因?yàn)楣庋刂本€傳播,正階躍時(shí)激光直射感溫結(jié)點(diǎn),感溫結(jié)點(diǎn)只有正面部分受到激光輻射傳熱,背面不會(huì)受激光輻射而增加熱量,反而會(huì)向外輻射而損失熱量,導(dǎo)致整個(gè)表面輻射傳熱強(qiáng)度降低.而在負(fù)階躍時(shí),熱電偶所有表面都參與到與環(huán)境之間的輻射以及自然對(duì)流傳熱中,因此散熱更快.所以在負(fù)階躍情況下標(biāo)定得到的時(shí)間常數(shù)更接近真值,故以負(fù)階躍時(shí)的時(shí)間常數(shù)作為此熱電偶的時(shí)間常數(shù).

     此外,從圖8還可以看出,正負(fù)階躍時(shí)間常數(shù)之間的差距隨結(jié)點(diǎn)直徑的增大而減小.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是,結(jié)點(diǎn)尺寸越大,熱電偶絲直徑也越大,熱電偶絲的導(dǎo)熱傳熱占比越大,因而熱電偶的正負(fù)階躍時(shí)間常數(shù)差減小.
表1列出了自制30µm熱電偶的6次標(biāo)定結(jié)果.從結(jié)果看出,30µm熱電偶在此實(shí)驗(yàn)條件下正階躍時(shí)間常數(shù)為(52.6±2.6)ms,負(fù)階躍時(shí)間常數(shù)為(40.1±1.8)ms.

5結(jié)論
     以集中參數(shù)法為理論基礎(chǔ)分析了快速響應(yīng)熱電偶得到理想時(shí)間常數(shù)的制作要點(diǎn),制作了以30µm銅絲和康銅絲為原材料的快速響應(yīng)熱電偶,并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)自制熱電偶進(jìn)行了動(dòng)態(tài)標(biāo)定,時(shí)間常數(shù)達(dá)到40ms左右.將直徑30µm與直徑40,50µm的自制熱電偶進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),測(cè)定了其各自時(shí)間常數(shù)并得出規(guī)律.使用具有一定強(qiáng)度和良好氣密性的新型熱電偶鎧裝結(jié)構(gòu),以自制微細(xì)熱電偶為基礎(chǔ),制作了適用于容器中高速氣流瞬態(tài)測(cè)溫的熱電偶.目前該傳感器已投入科研項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用,具有較高的使用價(jià)值.