熱電偶溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試及分析

摘要：在國(guó)防及航天領(lǐng)域研究熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的測(cè)量精度和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有十分重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。使用熱電偶溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)對(duì)7只不同結(jié)構(gòu)的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行試驗(yàn)根據(jù)對(duì)比分析時(shí)間常數(shù)及響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果為動(dòng)態(tài)溫度信號(hào)測(cè)量過(guò)程中熱電偶溫度傳感器的選型及使用提供參考。
1引言
　　在瞬態(tài)溫度測(cè)量過(guò)程中溫度隨時(shí)間不斷變化,同時(shí)測(cè)試環(huán)境可能存在高壓或高速流動(dòng)的情況,由于熱電偶溫度傳感器內(nèi)部感溫元件的熱慣性及自身存在的有限熱傳導(dǎo)測(cè)得的溫度與實(shí)際溫度存在著一定的偏差因此要保證瞬態(tài)測(cè)溫的精度是非常困難的。為盡量減少此類系統(tǒng)誤差;需要采用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的方法對(duì)傳感器的測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正使其更接近于真實(shí)的溫度信號(hào)。
　　隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展特別是在航天領(lǐng)域,飛行器飛行時(shí)間短溫度變化快熱電偶溫度傳感器應(yīng)能迅速感受環(huán)境溫度并能及時(shí)跟蹤溫度的變化。單純提高熱電偶溫度傳感器穩(wěn)態(tài)情況下的精度是滿足不了動(dòng)態(tài)測(cè)溫要求的因此減小熱慣性增強(qiáng)快速正確測(cè)溫能力是現(xiàn)代測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展方向。只有提高熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性并通過(guò)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行修正才可能達(dá)到動(dòng)態(tài)測(cè)溫的要求。許多單位雖開展了熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)工作。但由于熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與其使用環(huán)境等有直接關(guān)系造成各單位的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)存在了一定差異很多內(nèi)容沒(méi)有得到統(tǒng)一的結(jié)論。熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的工程價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義使其研究和應(yīng)用成為工程技術(shù)人員越來(lái)越關(guān)注的課題。對(duì)熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)研究方法主要有:①傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)法即投入實(shí)驗(yàn)法251。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用適用于較小的溫度階躍,但現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的實(shí)用性較差”。②熱電偶瞬時(shí)電加熱法。這種方法對(duì)組裝式的熱電偶溫度傳感器是不適宜的它無(wú)法計(jì)算保護(hù)罩對(duì)熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響。③激波管法。這種方法存在的問(wèn)題是:溫度階躍平臺(tái)保持時(shí)間短不足以使熱電偶溫度傳感器的輸出響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，從而無(wú)法得到可靠的時(shí)間常數(shù)值。④激光法"2-10。這種方法產(chǎn)生溫度階躍的延遲時(shí)間短并且激勵(lì)信號(hào)的頻譜能充分覆蓋被校準(zhǔn)系統(tǒng)的全部模態(tài)。但是它同樣存在著熱電偶瞬時(shí)電加熱法的缺點(diǎn)。
　　此次試驗(yàn)中被測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)各異部分傳感器有保護(hù)罩為方便進(jìn)行對(duì)比本文采用投入實(shí)驗(yàn)法使.用自動(dòng)投入裝置將不同結(jié)構(gòu)的熱電偶溫度傳感器投入恒溫油槽中通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集器記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響因素對(duì)動(dòng)態(tài)溫度信號(hào)測(cè)量過(guò)程中熱電偶溫度傳感器的選型及使用具有一定的參考價(jià)值。
2動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試原理
　　任何一個(gè)熱電偶溫度傳感器的測(cè)溫過(guò)程中無(wú)論它內(nèi)部的物理過(guò)程如何進(jìn)行,它的動(dòng)態(tài)特性總可以用輸入信號(hào)(待測(cè)溫度)和輸出信號(hào)(測(cè)試溫度)之間的微分方程(線性)來(lái)描述。對(duì)微分方程求解消去方程中的中間變量就可獲得熱電偶溫度傳感器測(cè)溫過(guò)程的微分方程即熱電偶溫度傳感器的數(shù)學(xué)模型。由于熱慣性的存在通常我們都把熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性視為--階系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)測(cè)曲線計(jì)算其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。由熱電偶溫度傳感器敏感元件的理想傳熱規(guī)律(單位時(shí)間對(duì)流換熱量=單位時(shí)間熱容量的變化量)可列出如下微分方程
MCp(dT/dt)=hA(Te-T)(1)
其理論解為T-T0=(Te-T0)(1-e^-t/τ)。
　　式中:M一傳感器換熱部分的質(zhì)量,kg;Cp一傳感器材料的比熱容J/(kg.℃);T一傳感器指示溫度,℃;t一響應(yīng)時(shí)間,s;h-對(duì)流換熱系數(shù),W/(m²·℃);A--面積,m²;Te一環(huán)境階躍溫.度℃;T0一傳感器初始溫度,℃;τ一時(shí)間常數(shù)s。
　　熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試,即在一-定的工況下測(cè)量溫度傳感器隨階躍溫度突變的響應(yīng)過(guò)程跟蹤記錄傳感器的響應(yīng)過(guò)程計(jì)算出響應(yīng)時(shí)間和時(shí)間常數(shù)。如圖1所示當(dāng)t=τ時(shí)時(shí)間常數(shù)(t)是熱電偶溫度傳感器的指示溫度(T)與初始溫度(T0)之差達(dá)到總溫度階躍(Tc-T0)的63.2%(即1-1/e)所需的時(shí)間量其物理意義是溫度傳感器的比熱容與換熱率的比值如式(2)所示。
 
3動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)搭建熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)。由標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽提供90℃的階躍溫度并采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)監(jiān)測(cè)油槽的溫度;使用電磁鐵控制的自動(dòng)投入裝置將熱電偶溫度傳感器快速投入標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽中;傳感器投入過(guò)程中采用德國(guó)HBM公司生產(chǎn)的Gen2i數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄。傳感器初始溫度為恒溫實(shí)驗(yàn)室室溫每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次計(jì)算平均值作為分析數(shù)據(jù)。主要設(shè)備如圖2所示性能參數(shù)如下:
　　標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽:擴(kuò)展不確定度U=0.03℃(k=2)
　　Gen2i數(shù)據(jù)記錄儀:采樣頻率1kHz擴(kuò)展不確定度U=0.05%(k=2)
 
4測(cè)試結(jié)果與分析
　　試驗(yàn)選用7只結(jié)構(gòu)均有所差異的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試編號(hào)依次為1#~7#如圖3所示。其中1#~4#為壁面溫度傳感器5#~7#為空氣溫度傳感器。
 
　　根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間曲線,如圖4所示其中圖4(a)和圖4(b)為同一傳感器的響應(yīng)時(shí)間曲線為方便與其它傳感器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比僅其橫坐標(biāo)范圍有所不同;
根據(jù)響應(yīng)時(shí)間曲線計(jì)算出各溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)如表1所示。
 
　　根據(jù)熱電偶溫度傳感器的外觀可知壁面溫度傳感器1#~4#均有保護(hù)外殼保護(hù)外殼的存在便會(huì)有熱量的傳遞傳感器內(nèi)部就必然有溫度梯度。溫度梯度的存在導(dǎo)致熱電偶溫度傳感器偶結(jié)的實(shí)際階躍溫度與恒溫油槽提供的階躍溫度存在了--定的延誤。故此可知對(duì)含有保護(hù)外殼的熱電偶溫度傳感器該試驗(yàn)法測(cè)得的傳感器響應(yīng)時(shí)間非傳感器敏感元件自身的響應(yīng)時(shí)間,而是整只傳感器在使用過(guò)程中的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間。
 
　　結(jié)合圖4(a~e)和表1可以看出壁面溫度傳感器中1#傳感器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡所需時(shí)間最長(zhǎng)其響應(yīng)時(shí)間曲線相對(duì)平緩,時(shí)間常數(shù)最大,達(dá)到36.89s;響應(yīng)時(shí)間t0.5和t0.9則分別為27.62s和86.13s，也明顯長(zhǎng)于其它結(jié)構(gòu)的傳感器。該熱電偶傳感器將感溫元件完全置于膠木材質(zhì)的保護(hù)套內(nèi)部,對(duì)感溫元件起到良好的保護(hù)作用,同時(shí)膠木作為絕緣材料還可以很好的預(yù)防電磁環(huán)境對(duì)電壓信號(hào)的干擾。但是,該保護(hù)套材料導(dǎo)熱系數(shù)很小熱電偶溫度傳感器無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)熱平衡,比較適用于溫差變化不大的電磁環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫過(guò)程不適用于快速響應(yīng)測(cè)溫過(guò)程。2#傳感器保護(hù)套材質(zhì)仍為膠木,但感溫元件覆在膠木的表層測(cè)溫過(guò)程中感溫元件可以與壁面直接接觸傳感器對(duì)溫度變化的響應(yīng)較快,響應(yīng)時(shí)間t0.5和時(shí)間常數(shù)τ明顯短于1#傳感器但實(shí)現(xiàn)恒溫狀態(tài)(環(huán)境熱電偶元件-膠木熱平衡)的時(shí)間仍較長(zhǎng)。3#傳感器和4#傳感器雖具有相似的外觀的結(jié)構(gòu)但3#傳感器的響應(yīng)時(shí)間和時(shí)間常數(shù)明顯短于4#傳感器再次觀察外觀如圖5所示3#傳感器的金屬保護(hù)殼很薄保護(hù)殼越薄其導(dǎo)熱熱阻越小導(dǎo)熱效果就越好傳感器的響應(yīng)時(shí)間就短。
 
　　結(jié)合圖3(f~h)和表1可以看出空氣溫度傳感器中6#傳感器的響應(yīng)時(shí)間to.s、時(shí)間常數(shù)T和響應(yīng)時(shí)間t0.9,明顯短于其它兩款傳感器分別為0.20s、0.32s和2.60s。5#傳感器和6#傳感器的熱電偶偶結(jié)伸出端均較長(zhǎng)但5#傳感器的熱電偶偶結(jié)處于開孔的保護(hù)套管中而6#傳感器的熱電偶偶結(jié)則是直接裸露可與環(huán)境溫度進(jìn)行最為直接有效的熱交換。7#傳感器的熱電偶偶結(jié)雖也是直接裸露但其伸出端較短與被測(cè)流體接觸的有效感溫表面積較小實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱平衡的時(shí)間較長(zhǎng)。
5結(jié)束語(yǔ)
　　通過(guò)熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行試驗(yàn),可知熱電偶溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間特性與感溫元件的外部結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。具有保護(hù)外殼的壁面類熱電偶溫度傳感器其響應(yīng)時(shí)間明顯長(zhǎng)于熱電偶偶結(jié)直接裸露的空氣類熱電偶溫度傳感器?？焖夙憫?yīng)的壁面熱電偶溫度傳感器其保護(hù)外殼應(yīng)使用熱導(dǎo)率高的材料殼體要薄,以減少不必要的接觸熱阻。快速響應(yīng)的空氣熱電偶溫度傳感器應(yīng)確保熱電偶偶結(jié)可與被測(cè)流體進(jìn)行快速有效的熱交換減小不必要的保護(hù)外殼增大與被測(cè)流體直接接觸的有效感溫表面積。