熱電偶溫度傳感器響應(yīng)時間測試及分析

劉 浩 趙化業(yè) 王文革 黃 賾 張 奇

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

在瞬態(tài)溫度測量過程中，溫度隨時間不斷變化，同時測試環(huán)境可能存在高壓或高速流動的情況，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)，測得的溫度與實際溫度存在著一定的偏差，因此要保證瞬態(tài)測溫的準(zhǔn)確度是非常困難的。為盡量減少此類系統(tǒng)誤差，需要采用動態(tài)校準(zhǔn)的方法對傳感器的測溫結(jié)果進(jìn)行修正使其更接近于真實的溫度信號。

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)情況下的準(zhǔn)確度是滿足不了動態(tài)測溫要求的，因此減小熱慣性，增強(qiáng)快速準(zhǔn)確測溫能力是現(xiàn)代測溫技術(shù)的發(fā)展方向。只有提高熱電偶溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，并通過動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行修正，才可能達(dá)到動態(tài)測溫的要求。許多單位雖開展了熱電偶溫度傳感器的動態(tài)校準(zhǔn)工作[1～4]，但由于熱電偶溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性與其使用環(huán)境等有直接關(guān)系，造成各單位的動態(tài)校準(zhǔn)存在了一定差異，很多內(nèi)容沒有得到統(tǒng)一的結(jié)論。熱電偶溫度傳感器動態(tài)校準(zhǔn)的工程價值及現(xiàn)實意義使其研究和應(yīng)用成為工程技術(shù)人員越來越關(guān)注的課題。

對熱電偶溫度傳感器動態(tài)校準(zhǔn)的實驗研究方法主要有：①傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)實驗法即投入實驗法[2,5]。這種方法簡單實用，適用于較小的溫度階躍，但現(xiàn)場動態(tài)校準(zhǔn)的實用性較差[6]。②熱電偶瞬時電加熱法。這種方法對組裝式的熱電偶溫度傳感器是不適宜的，它無法計算保護(hù)罩對熱電偶溫度傳感器動態(tài)特性的影響。③激波管法。這種方法存在的問題是：溫度階躍平臺保持時間短，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，從而無法得到可靠的時間常數(shù)值。④激光法[1,7～10]。這種方法產(chǎn)生溫度階躍的延遲時間短，并且激勵信號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電加熱法的缺點。

此次試驗中，被測傳感器結(jié)構(gòu)各異，部分傳感器有保護(hù)罩，為方便進(jìn)行對比，本文采用投入實驗法，使用自動投入裝置將不同結(jié)構(gòu)的熱電偶溫度傳感器投入恒溫油槽中，通過高速數(shù)據(jù)采集器記錄實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對比試驗數(shù)據(jù)分析傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的影響因素，對動態(tài)溫度信號測量過程中熱電偶溫度傳感器的選型及使用具有一定的參考價值。

2 動態(tài)響應(yīng)特性測試原理

任何一個熱電偶溫度傳感器的測溫過程中，無論它內(nèi)部的物理過程如何進(jìn)行，它的動態(tài)特性總可以用輸入信號(待測溫度)和輸出信號(測試溫度)之間的微分方程(線性)來描述。對微分方程求解，消去方程中的中間變量，就可獲得熱電偶溫度傳感器測溫過程的微分方程，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態(tài)特性視為一階系統(tǒng)，根據(jù)動態(tài)標(biāo)定實測曲線計算其動態(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(單位時間對流換熱量=單位時間熱容量的變化量)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——傳感器換熱部分的質(zhì)量，kg；Cp——傳感器材料的比熱容，J/(kg·℃)；T——傳感器指示溫度，℃；t——響應(yīng)時間，s；h——對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃) ；A——面積，m2；Te——環(huán)境階躍溫度，℃；T0——傳感器初始溫度，℃；——時間常數(shù)，s。

熱電偶溫度傳感器的動態(tài)特性測試，即在一定的工況下，測量溫度傳感器隨階躍溫度突變的響應(yīng)過程，跟蹤記錄傳感器的響應(yīng)過程，計算出響應(yīng)時間和時間常數(shù)。如圖1所示，當(dāng)t=時，時間常數(shù)()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(Te-T0)的63.2%(即1-1/e)所需的時間量，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。

T-T0=(Te-T0) (1-e-1)=0.632(Te-T0)

(2)

響應(yīng)時間t0.5=0.5×(Te-T0)，t0.9=0.9×(Te-T0)。

3 動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)實驗特點，搭建熱電偶溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(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)鉑電阻溫度計監(jiān)測油槽的溫度；使用電磁鐵控制的自動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；傳感器投入過程中采用德國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驗室室溫，每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次，計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 測試結(jié)果與分析

試驗選用7只結(jié)構(gòu)均有所差異的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)特性測試，編號依次為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)試驗數(shù)據(jù)繪制各熱電偶溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間曲線，如圖4所示，其中圖4(a)和圖4(b)為同一傳感器的響應(yīng)時間曲線，為方便與其它傳感器的響應(yīng)時間進(jìn)行對比，僅其橫坐標(biāo)范圍有所不同；根據(jù)響應(yīng)時間曲線，計算出各溫度傳感器的時間常數(shù)，如表1所示。

表1 熱電偶溫度傳感器的響應(yīng)時間和時間常數(shù)Table 1 Response time and time constant of thermocouple temperature sensors

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)的實際階躍溫度與恒溫油槽提供的階躍溫度存在了一定的延誤。故此可知，對含有保護(hù)外殼的熱電偶溫度傳感器，該試驗法測得的傳感器響應(yīng)時間，非傳感器敏感元件自身的響應(yīng)時間，而是整只傳感器在使用過程中的實際響應(yīng)時間。

結(jié)合圖4(a～e)和表1可以看出，壁面溫度傳感器中1#傳感器實現(xiàn)動態(tài)平衡所需時間最長，其響應(yīng)時間曲線相對平緩，時間常數(shù)最大，達(dá)到36.89s；響應(yīng)時間t0.5和t0.9則分別為27.62s和86.13s，也明顯長于其它結(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，對感溫元件起到良好的保護(hù)作用，同時膠木作為絕緣材料還可以很好的預(yù)防電磁環(huán)境對電壓信號的干擾。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法快速實現(xiàn)熱平衡，比較適用于溫差變化不大的電磁環(huán)境長時間測溫過程，不適用于快速響應(yīng)測溫過程。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，測溫過程中感溫元件可以與壁面直接接觸，傳感器對溫度變化的響應(yīng)較快，響應(yīng)時間t0.5和時間常數(shù)明顯短于1#傳感器，但實現(xiàn)恒溫狀態(tài)(環(huán)境-熱電偶元件-膠木熱平衡)的時間仍較長。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)時間和時間常數(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)時間t0.5、時間常數(shù)和響應(yīng)時間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，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，與被測流體接觸的有效感溫表面積較小，實現(xiàn)動態(tài)熱平衡的時間較長。

5 結(jié)束語

通過熱電偶溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)，對不同結(jié)構(gòu)的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行試驗，可知熱電偶溫度傳感器的響應(yīng)時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)時間明顯長于熱電偶偶結(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?？焖夙憫?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，增大與被測流體直接接觸的有效感溫表面積。

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