表面溫度傳感器時間常數測量方法研究

吳方，楊新圓，王莉

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

表面溫度傳感器作為重要的溫度測量儀器可以用于測量各種金屬材料、塑膠、木材等固體表面的溫度。為提高測量結果的準確性，通常表面溫度傳感器在使用前應進行檢測，檢測結果用于對測量結果進行修正。

表面溫度傳感器的檢測方式依據被測物體的狀態分為兩種，當被測物體的表面溫度不隨時間變化時，使用靜態檢測方式，通過檢測得出表面溫度傳感器的示值誤差，用于對測量結果進行修正以得到準確的實際溫度值。當被測物體的表面溫度隨時間變化時，使用動態檢測方式，通過檢測得出表面溫度傳感器的時間常數，用于對表面溫度傳感器進行動態響應誤差的計算。

1 表面溫度傳感器時間常數測量方法現狀

目前已有的表面溫度傳感器時間常數的測量方法是脈沖激光法，其工作原理是用高功率CO2激光器作為階躍溫度發生裝置，當裝置發生的激光光束打到表面溫度傳感器的感溫元件上時，能使表面溫度傳感器經歷一個階躍溫升過程，由示波器記錄表面溫度傳感器對這種溫度階躍的響應，并根據響應曲線求出傳感時間常數，此種方式使表面溫度傳感器的感溫元件直接感受溫度階躍過程。

在實際工作中，通常是將表面溫度傳感器固定在被測表面上來測量動態變化的溫度值，當被測物體表面發生溫度階躍變化時，由于受環境、材質、表面材料的厚度等影響，表面溫度傳感器的時間常數會與其感溫元件直接感受階躍溫度變化的時間常數有所不同。本文介紹一種使用表面溫度階躍變化裝置測量表面溫度傳感器時間常數的新方法，以獲得更加準確的測量結果。

2 表面溫度階躍變化裝置的組成及工作原理

表面溫度傳感器時間常數的測量關鍵是要提供能產生溫度階躍變化的工作表面，本文介紹的用于時間常數測量的表面溫度階躍變化裝置由測量室、測量杯、冰水混合物儲存室、溫控系統和數據采集系統組成，見圖1。

表面溫度階躍變化裝置工作原理:表面溫度階躍變化裝置的工作表面初始溫度為室溫，在裝置的儲存室中加入適量的冰和水，開啟攪拌機使冰水充分混合在一起，然后打開裝置儲存室與測量室之間的進水控制閥門，使冰水混合物瞬間充滿整個工作室的空間，此時在裝置的工作表面上會產生一個從室溫到零攝氏度的溫度階躍。

圖1 階躍變化表面溫度裝置結構圖

3 時間常數的測量方法

使用階躍變化表面溫度裝置測量表面溫度傳感器時間常數時按以下步驟進行:

1)表面溫度傳感器的固定和安裝

測量表面溫度傳感器的時間常數時需要將其安裝固定在測量裝置的工作表面上，表面溫度傳感器的安裝和固定使用帶加載裝置的自動位移機構。

首先將表面溫度傳感器安裝在自動位移機構的夾具上，通過調整位移機構前后左右的搖桿，使表面溫度傳感器的感溫元件位于測量裝置工作表面的有效工作區域內，然后啟動垂直方向自動位移程序使表面溫度傳感器按照設定高度緩慢向下移動，直至自動位移機構顯示加載在表面溫度傳感器上的壓力為8 N 時停止，此時表面溫度傳感器被固定在階躍變化表面溫度裝置的測量表面上。安裝固定工作完成后應保證表面溫度傳感器與測量裝置的工作表面相垂直，同時表面溫度傳感器的測量表面還應與裝置的工作表面緊密地貼合在一起。

2)測量前的準備

將混合比例為1 ∶1 的冰水混合物放置在裝置的冰水儲藏室內，開啟攪拌電源，使冰水充分混合，以避免堵塞通向測量裝置測量室的通道。

3)時間常數的測量

表面溫度傳感器安裝完成后，在室溫下穩定15 min即可開始進行時間常數的測量。啟動測量程序，檢查初始數據，確認程序工作正常后，打開測量裝置冰水混合物儲藏室與測量室之間的進水控制閥門。在冰水混合物充滿裝置測量室的整個空間時，裝置工作表面的表面溫度傳感器會感受到一個溫度階躍變化的過程，裝置中的高速數據采集器以1000 次/s 的速度采集整個測量過程中被測表面溫度傳感器的數據，不同時間常數，傳感器所需記錄時間不同，時間常數τ 越大，傳感器穩定時間越長，通常表面溫度傳感器在經歷10τ ～20τ 的時間后趨于穩定。通過對整個測量過程記錄數據的分析和計算得到被測表面溫度傳感器的時間常數τ。

4 測量實例及分析

現以K 型的表面溫度傳感器為例，給出在表面溫度階躍變化裝置上時間常數的測試數據及計算結果，說明時間常數的計算方法并對測量結果進行分析。由于高速采集器的采樣次數為1000 次/s，數據量太大不便于全部列出，表1 中僅給出與計算時間常數有關的部分測試數據，表面溫度傳感器時間常數測量曲線圖見圖2。

圖2 表面溫度傳感器時間常數測試曲線圖

表1 表面溫度傳感器時間常數測試數據

時間常數是指表面溫度傳感器在溫度階躍過程中顯示溫度T 與初始溫度T0之差達到溫度階躍量的63.2%所需要的時間。為計算時間常數需要確定階躍過程的溫度階躍量、階躍過程的起始溫度值T0和與之對應的測量次數n0、階躍過程的終止溫度值T1。

階躍過程起始溫度值T0的確定:在曲線圖中下降沿前端確定大概位置，點擊曲線圖，曲線圖中會顯示點擊處的測量次數和對應的溫度值，在時間常數測試數據中找到曲線圖中顯示的測量次數和對應的溫度值，觀察該溫度值上下的測量數據，當某次測量值之后的所有測量值均小于該值時，該值即為初始溫度值T0，表1 中第10796 次測量值對應的溫度26.113℃即為初始溫度T0，即T0=26.113℃，n0=10796。

階躍過程終止溫度值T1的確定:測量前根據表面溫度傳感器技術指標中給出的時間常數值，設定測量記錄時間，測量完成后截取最后100 個測量數據的平均值作為階躍過程終止溫度值T1。

溫度階躍過程的初始溫度值T0和終止溫度值T1確定之后，按公式(1)計算溫度階躍量ΔT，按公式(2)計算階躍量ΔT 的63.2%對應的溫度值T63.2%，按公式(3)計算時間常數τ。

依據表1 測量數據可以得出:

ΔT=T0-T1=26.113-0.193=25.920(℃)

T63.2%=ΔT·63.2%=25.920·63.2%=16.381(℃)

溫度階躍量ΔT 的63.2%對應的溫度值T63.2%計算得出后，在時間常數測試數據表中找到與計算得出的溫度值T63.2%最接近的測量次數值。在表1 中與16.381℃最接近的溫度值為第11125 次測量值，對應的溫度值為16.396℃，即n63.2%=11125。該表面溫度傳感器的時間常數為

τ=(n63.2%-n0)/1000

=(11125-10796)/1000=0.33(s)

實際工作中時間常數的計算工作由時間常數計算軟件完成。用階躍變化表面溫度裝置測量表面溫度傳感器的時間常數時，階躍起始時刻時間記錄誤差、階躍終止時刻時間記錄誤差、數據采集卡的采集周期、測量重復性、導熱板厚度、階躍量的63.2%對應的測量次數的選取不精確，都會給測量結果帶來不確定度，經分析計算用該裝置測量時間常數時，其測量結果的不確定度約為0.06 s。

5 結束語

本文介紹的表面溫度傳感器時間常數的測量方法，采用可以模擬表面溫度傳感器工作狀態的測量裝置，即在時間常數測量裝置的工作表面上產生溫度階躍變化的過程，此方法更加貼近表面溫度傳感器使用時的情況，因而測量結果更加真實、準確。作為一種新的時間常數的測量方法，對用于測量動態變化溫度的表面溫度傳感器的使用具有一定的參考價值。

［1］王魁漢.溫度測量技術［M］.沈陽:東北工學院出版社，1991.

［2］國家技術監督局.JJF1049-1995 溫度傳感器動態響應校準［S］.北京:中國計量出版社，1995.

［3］張東風.熱工測量及儀表［M］.北京:中國電力出版社，1994.

［4］羅蔚茵，許煜寰.熱學［M］.廣州:中山大學出版社，1982.