熱電偶時間常數測試中階躍溫升信號的研究

段向港, 郝曉劍,2*

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室， 太原 030051; 2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

引 言

熱電偶由于性能穩定、經濟耐用和測溫范圍廣等優點，廣泛應用于生產生活各個領域，其測量結果及精度與熱電偶的動態特性密切相關。時間常數作為熱電偶動態特性最重要的指標，是判斷熱電偶質量和使用范圍的重要物理量，因此對其準確測量尤為重要[1 -4]。傳統的投入實驗法、熱風洞法具備操作方便、可重復度高的優點，但是也存在機械結構速度慢，會產生人為的不可避免誤差等一系列缺點[5-6]。激光是一種特殊的可控電磁波，TASHIRO等學者首次將其用于傳感器的動態校準中[7]，其后WANG，YANG等人不斷完善測試理論，為熱電偶時間常數測量提供了一種新的測試方法[8-9]。激光具有能量極高(通過光學聚焦，匯聚一點的激光能量可大于1012W/cm2)、上升時間短等顯著優點，采用激光激勵熱電偶可獲得較為理想的階躍溫升信號，保證了熱電偶的均勻加熱[10]。

本文中采用上升時間5μs、功率500W的大功率半導體激光器，分析了測試熱電偶時間常數的理論基礎，采用反饋控制激光功率的方法，產生穩定的階躍溫升信號，通過限定激光器功率大小，成功測量出OMEGA公司的4支熱電偶的時間常數，為準確測量熱電偶的時間常數提供參考[11-14]。

1 熱電偶時間常數的理論基礎

由于影響熱電偶時間常數測試的因素很多且復雜，這些因素不能量化用于公式推導，因此難以用理論計算的方法獲得準確的數值[15-16]。通常采用實驗法得到熱電偶時間常數，把熱電偶傳遞函數按照一階系統處理，給予一個溫度階躍信號對其進行動態測試，當熱電偶吸熱與散熱達到一個平衡時，從響應曲線上直接獲取，響應曲線如圖1所示。

Fig.1 Diagram of thermocouple time constant test

圖1中，T0表示熱電偶測溫端初始溫度，一般為環境溫度；Te為階躍溫度值，熱電偶測溫端穩定后通過讀數可知；t1表示初始溫度響應時刻；t2為初始溫度T0與階躍溫度Te的差值達到63.2%對應的時刻。用τ表示熱電偶時間常數，是指溫度達到溫升階躍量63.2%所用的時間(即τ=t2-t1)。

2 時間常數測試系統及階躍溫升信號控制方法

2.1 熱電偶時間常數測試系統

熱電偶時間常數測試系統由半導體激光器產生動態階躍溫升信號，激光激勵熱電偶的表面，引起其表面瞬態溫升，從而直接測量出熱電偶的時間常數。時間常數測試系統如圖2所示。紅外探測模塊和被測熱電偶分別置于橢球面反射鏡的兩個共軛焦點上，為了避免二者的直接輻射熱傳遞，加入一個隔熱塊。半導體激光器輸出激光經過透鏡聚焦后激勵被測熱電偶，另一焦點上的高速紅外探測模塊實時檢測熱電偶表面溫度變化，反饋控制模塊根據系統輸出溫度和期望值溫度的偏差實時調節半導體激光器驅動電源電流，以確定加熱功率，獲得被測熱電偶溫度-時間曲線，從而獲得熱電偶時間常數。由于高速紅外探測模塊的頻率響應特性優于被測熱電偶的頻率響應特性，以前者的響應作為真值來校準后者并獲得動態誤差。

Fig.2 Schematic diagram of thermocouple time constant test system

2.2 熱電偶時間常數測試系統階躍溫升信號控制方法

在本測試系統中，由于半導體激光器輸出激光過程中功率恒定，激光輸出連續，熱電偶測溫端隨著溫度升高，不僅對激光吸收效率發生變化，而且自身進行熱輻射與熱傳導等也發生變化，造成熱電偶輸出經快速上升后會持續緩慢上升，停止出光后迅速下降，無法確定最后階躍量，難以評估熱電偶時間常數，熱電偶輸出曲線如圖3所示。

熱電偶時間常數測試系統利用功率階躍變化的激光加熱被測熱電偶，熱電偶輸出曲線會不斷上升，并非溫度階躍變化，所以可通過閉環反饋控制激光功率實現溫度階躍。采用高速紅外探測模塊實時監測熱電偶測溫端表面溫度變化，將探測器所得的實時探測數據反饋輸入端。采用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative,PID)閉環控制系統，跟據系統輸出溫度和期望值溫度的偏差，通過PID控制器對系統偏差的比例微分積分作用線性加權和來消除此誤差；半導體激光器輸出功率與輸入電流基本成線性關系，反饋控制模塊根據紅外探測器輸入實時調節半導體激光器驅動電源的輸出電流，通過控制驅動電源輸出電流來線性控制半導體激光器輸出功率，動態調節激光器的輸出功率以確定激光器加熱功率，使熱電偶的表面溫度以最快速度上升，達到期望的溫度后，通過調節激光器驅動電流，適當降低激光器的輸出功率，以實現在熱電偶測溫端出形成定量階躍溫度的目標，使被測熱電偶得到期望的平衡溫度，反饋控制過程如圖4所示。

Fig.3 Curve of thermocouple output

Fig.4 Block diagram of feedback control

在PID控制中，PID的參量調整是PID控制器設計的核心。實際系統由于有各種非線性，例如PID控制器的飽和非線性(對輸出的限幅作用)，可以較容易地觀測到等幅振蕩，這種振蕩一般就是設定值上下的等幅振蕩，根據控制經驗通過對被控過程的運行特性分析從而可以確定出較理想的控制器參量。本系統中PID調試方法采用常用的擴充臨界比例度法，在不用確定系統具體數學模型的情況下，經過多次實驗得到系統的最佳整定參量。經過反復實驗后，根據最佳的實驗效果，最終確定PID反饋控制系統的參量：設置比例系數Kp=2.3，積分系數Ki=0.2以及微分系數Kd=2.4。

3 測試結果分析

在室溫12℃、濕度30%、大氣壓強101.325kPa的環境下對4支OMEGA公司的熱電偶進行時間常數的測試，熱電偶的詳細參量如表1所示。表中K表示鎳鉻-鎳硅熱電偶，J表示鐵-康銅熱電偶，E表示鎳鉻-銅鎳熱電偶。熱電偶的實物圖如圖5所示。

Table 1 Basic parameters of thermocouple

Fig.5 Pictures and models of 4 thermocouples

經過透鏡聚焦后的半導體激光器在全量程(500W)輸出時，聚焦后的激光可使熱電偶溫度接近2000℃，鑒于4支熱電偶的測溫范圍，設置激光器輸出功率100W，在同等條件下對KQXL-18U-6型、TJ36-ICSS-18U-6型、TJ36-CASS-18U-6型及TJ36-CXSS-18U-6型4支熱電偶進行時間常數測量。熱電偶測試波形如圖6所示。

Fig.6 Time constant response curve of 4 thermocouples

a—KQXL-18U-6 b—TJ36-ICSS-18U-6 c—TJ36-CASS-18U-6 d—TJ36-CXSS-18U-6

在同等條件下，采用ADLINK公司的PCI8554數據采集卡，采集熱電偶電壓輸出曲線，對測試結果進行小波降噪處理，得到熱電偶時間常數曲線如圖6所示。根據以上時間常數曲線，可以得到4支熱電偶的時間常數如表2所示。

Table 2 Thermocouple test results

4 結 論

采用半導體激光器作為激勵源，使用反饋控制激光功率的方法產生階躍溫升信號，在限定輸出功率100W時，得到了熱電偶時間常數曲線，從曲線直接讀取出4支熱電偶的時間常數。實驗結果證明，熱電偶時間常數測試系統可產生較理想的階躍溫升信號，控制器動態性能和抗干擾性能較好，為熱電偶時間常數的測量提供了一個穩定的測試平臺；實驗結果為激光器高功率高溫條件下對快速響應、大量程熱電偶時間常數的測量和反饋控制提供了指導。

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