氣體介質(zhì)條件下的熱電偶動(dòng)態(tài)特性

摘要:針對熱電偶動(dòng)態(tài)特性的評估問(wèn)題,實(shí)現熱電偶測試性能評估與氣體介質(zhì)條件的匹配,開(kāi)展了氣體介質(zhì)條件下熱電偶動(dòng)態(tài)特性研究。通過(guò)對傳統激波管的結構和功能改造,設計了動(dòng)態(tài)氣體溫度校準裝置，開(kāi)展了動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號溯源方法的研究,建立了熱電偶動(dòng)態(tài)數學(xué)模型,實(shí)現了熱電偶動(dòng)態(tài)特性的定量描述和試驗驗證。動(dòng)態(tài)校準試驗結果表明:基于傳統激波管改造的動(dòng)態(tài)氣體溫度校準裝置可以產(chǎn)生頻域覆蓋范圍寬、階躍幅值穩定的標準溫度信號,基本可以覆蓋常規溫度傳感器的動(dòng)態(tài)校準需求;所采用的動(dòng)態(tài)建模方法可以較為正確地評估熱電偶動(dòng)態(tài)模型的階次和參數。經(jīng)實(shí)驗驗證,建立的熱電偶 動(dòng)態(tài)數學(xué)模型響應與實(shí)際響應信號的相關(guān)系數可以達到0.9967,基本可以滿(mǎn)足熱電偶動(dòng)態(tài)特性評估的工程需要。
       熱電偶是工業(yè)領(lǐng)域通用溫度傳感器,具有動(dòng)態(tài)特性好、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。常被應用于動(dòng)態(tài)溫度測量工況。為了提高動(dòng)態(tài)溫度測量數據的可靠性和有效性,需要對熱電偶的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評估。動(dòng)態(tài)特性評估通常是基于動(dòng)態(tài)校準裝置實(shí)現的。常用的熱電偶動(dòng)態(tài)校準裝置有水浴油浴裝置、激光階躍校準裝置、電加熱校準裝置等[”。校準裝置介質(zhì)條件對于接觸式測溫傳熱過(guò)程具有重要影響,如果熱電偶實(shí)際工況介質(zhì)與校準介質(zhì)不一致,得到的動(dòng)態(tài)性能評估結果與工程實(shí)際可能存在巨大差異。對于氣體介質(zhì)動(dòng)態(tài)溫度校準裝置,具有代表性的是熱風(fēng)洞動(dòng)態(tài)校準設備。該設備具有流場(chǎng)溫度穩定,溫度上限值高等優(yōu)點(diǎn),對于氣體介質(zhì)條件下熱電偶動(dòng)態(tài)特性評估提供了持續、可靠的校準標準信號源，基本可以滿(mǎn)足常規溫度傳感器的動(dòng)態(tài)校準需求。但該裝置采用物理彈射方式實(shí)現標準信號階躍過(guò)程,該方法上升時(shí)間相對較長(cháng)，無(wú)法實(shí)現高頻響溫度傳感器的動(dòng)態(tài)校準。此外,進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度校準時(shí),熱風(fēng)洞若采用開(kāi)口試驗段,受環(huán)境溫度對于激勵溫度信號幅值和上升過(guò)程的傳熱干擾,直接影響到動(dòng)態(tài)校準數據質(zhì)量。
       為了解決現有氣體介質(zhì)動(dòng)態(tài)溫度校準裝置介質(zhì)匹配、標準信號發(fā)生和溯源等問(wèn)題,結合激波管原理,研制了氣體介質(zhì)條件下熱電偶動(dòng)態(tài)校準裝置,并對動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號的溯源方法進(jìn)行了研究。以此為基礎,進(jìn)行了熱電偶動(dòng)態(tài)特性評估研究。研究結果對于氣體介質(zhì)條件下熱電偶動(dòng)態(tài)特性的正確評估具有參考意義。
1動(dòng)態(tài)氣體溫度校準裝置
       校準裝置是進(jìn)行校準活動(dòng)的物質(zhì)基礎,需要滿(mǎn)足的兩個(gè)前提條件是標準信號發(fā)生和標準信號可溯源。其中,動(dòng)態(tài)校準標準信號要求其頻域范.圍能夠覆蓋被校準測試系統的頻域范圍叮。動(dòng)態(tài)氣體溫度校準裝置的研制主要圍繞動(dòng)態(tài)溫度激勵信號的發(fā)生和動(dòng)態(tài)激勵信號的溯源兩方面展開(kāi)。
1.1動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號發(fā)生
       氣體動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號發(fā)生具挑戰性的是可以產(chǎn)生上升時(shí)間較小的幅值階躍過(guò)程。由于氣體分子稀薄,通過(guò)傳熱的方式,難以產(chǎn)生較快的階躍溫度變化。本論文采用氣體壓縮的方式實(shí)現溫度上升,具體是利用激波管產(chǎn)生的激波壓縮氣體，使得氣體溫度產(chǎn)生瞬時(shí)階躍變化實(shí)現標準信號的發(fā)生,而該過(guò)程在數學(xué)上公認地作為理想階躍來(lái)處理10-11,由此產(chǎn)生的溫度信號可以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)校準對于激勵信號頻域覆蓋的要求。
       激波管本質(zhì)而言是一個(gè)被膜片隔開(kāi)的管子，一端可以是開(kāi)口或者閉口,另一-端為閉口。在閉口段充滿(mǎn)高壓氣體,為激波運動(dòng)提供驅動(dòng)力。當膜片兩端的壓力差達到膜片臨界壓力值(實(shí)現破膜的最低壓力值),膜片自然破裂,同時(shí)產(chǎn)生向膜片下游端運動(dòng)的激波[12]?；趥鹘y激波管產(chǎn)生的溫度變化過(guò)程，并不是一個(gè)理想的階躍過(guò)程[13],由于高壓段產(chǎn)生稀疏波的影響，氣體在被激波壓縮產(chǎn)生瞬態(tài)階躍過(guò)程后,會(huì )有一個(gè)溫度下降的過(guò)程。而且僅可以持續亳秒級的溫度變化過(guò)程,對于常規熱電偶而言,無(wú)法產(chǎn)生有效激勵。無(wú)法滿(mǎn)足標準信號對于幅值穩定過(guò)程的要求。
       由此,本論文對激波管高壓段和低壓段進(jìn)行了改造設計,目的是實(shí)現標準信號在激波壓縮溫.度變化過(guò)程后可以產(chǎn)生幅值持續穩定的溫度信號,從而滿(mǎn)足標準信號對于幅值穩定過(guò)程的要求。
1.1.1動(dòng)態(tài)氣體溫度校準裝置高壓段設計
       為了實(shí)現上述目的,通過(guò)對激波管的高壓段改造,使得校準裝置在激波過(guò)程結束后轉入持續穩定的高溫氣流發(fā)生過(guò)程。一方面通過(guò)激波壓縮特性滿(mǎn)足了標準信號的頻域覆蓋要求,另一方面通過(guò)持續穩定高溫氣流發(fā)生過(guò)程滿(mǎn)足了常規溫度傳感器對于校準持續時(shí)間和標準信號幅值穩定性的要求。
       高壓段結構改造具體采用了循環(huán)腔體結構，在腔體內部安裝了電加熱器和軸流風(fēng)機,通過(guò)軸流風(fēng)機和電加熱器的綜合作用,實(shí)現腔體內氣體循環(huán)加熱,從而在腔體內產(chǎn)生溫度均勻的高溫氣體。為了保證加熱效率和防護安全，在高壓段外裏覆有保溫絕熱層。高壓段氣體保持高壓,低壓段氣體通過(guò)真空泵調節低壓段壓力,控制膜片自然破裂,同時(shí)由高低壓段壓差驅動(dòng)氣體在低壓段內的持續流動(dòng)。由于高壓段內為溫度均勻的高溫氣體，因此在低壓段內可以產(chǎn)生幅值穩定、作用持續的氣流溫度,從而滿(mǎn)足標準信號對于幅值穩定過(guò)程的要求。結構示意圖如圖1所示。

1.1.2動(dòng)態(tài)氣體溫度校準裝置低壓段設計
       低壓段設計目的是為了滿(mǎn)足傳感器動(dòng)態(tài)校準對于標準信號幅值穩定性的要求。因此,與傳統激波管低壓段設計理念和結構存在較大差異。低壓段截面積設計遠小于高壓段,一方面可以使得自然破膜后高壓段內氣體在低壓段流動(dòng)持續較長(cháng)時(shí)間,另一方面可以減小高壓段內產(chǎn)生稀疏波對于激波壓縮階躍過(guò)程溫度變化幅值的影響。低壓段結構示意圖如圖2所示。被校準熱電偶安裝在低壓段側壁上。在低壓段下游出口位置安裝有節流噴嘴,實(shí)現低壓段內流速的控制。節流噴嘴另一側與真空泵連接。

1.2動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號溯源
       動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號溯源包括幅值階躍過(guò)程和幅值穩定過(guò)程的評估。由于溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的局限，標準信號階躍過(guò)程的評估是難點(diǎn)。幅值階躍過(guò)程的實(shí)現是基于激波原理，激波是一個(gè)厚度與分子平均自由程同量級的區域,激波壓縮產(chǎn)生的溫度、壓力階躍變化被認為是不同量綱、同時(shí)進(jìn)行、同一變化過(guò)程[13-16],因此,幅值階躍過(guò)程，可以通過(guò)高頻響壓力傳感器對同過(guò)程的溫度變化進(jìn)行定量評估。而幅值穩定過(guò)程的評估為穩態(tài)過(guò)程,可以通過(guò)精度高溫度傳感器對其進(jìn)行定量評估。高頻響壓力傳感器的動(dòng)態(tài)性能參數和高精度溫度傳感器穩態(tài)響應可以基于行業(yè)校準規范或國家計量標準進(jìn)行溯源。綜上,通過(guò)高頻響壓力傳感器與高精度溫度傳感器響應信號信息融合實(shí)現動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號的溯源，原理圖如圖3所示。

       高頻響壓力傳感器與精度高溫度傳感器以及被校熱電偶均安裝于低壓段同一橫截面處。其中,高頻響壓力傳感器安裝于低壓段側壁上,感應端面與低壓段內壁平齊,實(shí)現對標準信號值階躍過(guò)程進(jìn)行評估。精度高溫度傳感器與被校熱電偶的敏感頭盡可能靠近,即對同一物理點(diǎn)進(jìn)行測試,實(shí)現對標準信號幅值穩定過(guò)程的評估。高頻響壓力傳感器和精度高溫度傳感器位置示意圖如圖4所示。

2熱電偶動(dòng)態(tài)特性分析
       鎧裝熱電偶是由金屬套管、絕緣陶瓷以及熱電偶絲組成的套管熱電偶。鎧裝熱電偶外部封裝通常是不銹鋼管(熱工測試技術(shù)),其內部填充有電熔MgO絕緣的熱電偶絲,三者經(jīng)過(guò)組合加工,由粗管坯拉逐步制成為絕緣層十分致密的、堅實(shí)的組合體。其常見(jiàn)的結構包括露端型、接殼型以及絕緣性結構,結果形式如圖5所示。

       鑒于本論文研究方向,采用露端型結構熱電偶。熱電偶置于高溫氣體流場(chǎng)中,由于封裝外殼溫度對于熱電偶絲溫度具有輻射和導熱因素的影響，熱電偶動(dòng)態(tài)特性會(huì )呈現相較于1階系統更為復雜的特性。
      采用同時(shí)辨識模型參數和階次的方法,對鎧裝熱電偶動(dòng)態(tài)模型階次進(jìn)行驗證,并對動(dòng)態(tài)模型參數進(jìn)行辨識。對于熱電偶測試系統而言,為單輸入單輸出線(xiàn)性定常系統,其差分方程模型可以表示為。

       式中θ為辨識參數序列,e為觀(guān)測噪聲序列,N為tm和tg的數據長(cháng)度,N0、?是正整數,其中v為估計階次上限值.。
       式(1)可進(jìn)一步轉換為.


       由最小二乘理論,當系統響應噪聲ε(k)為白噪聲時(shí),由系統辨識方法得到的待辨識參數為無(wú)偏估計,當ε(k)為自相關(guān)的隨機過(guò)程,由系統辨識方法計算的待辨識參數則是有偏的[25]。對于熱電偶測試過(guò)程而言,溫度響應噪聲信號可以認為是白噪聲序列,因此,基于最小二乘法辨識模型參數為無(wú)偏估計。
3試驗結果
       動(dòng)態(tài)校準試驗中,溯源環(huán)節采用固有頻率380kHz高頻響絕壓傳感器和測試精度為±0.3℃的精度高溫度傳感器。被校熱電偶采用K型熱電偶,被校熱電偶響應信號與采集系統之間接入精度為0.1%的50倍隔離放大器,采樣頻率為150kHz。破膜時(shí),高壓段內溫度為378℃,高壓段內壓力為258kPa,節流噴嘴控制體積流量為64L/1min。高頻響壓力傳感器時(shí)域響應.上升過(guò)程如圖6所示。

       由圖6可以得到,壓力信號上升時(shí)間τ=16ms。將高頻響壓力傳感器響應信號上升過(guò)程和精度高溫度傳感器響應信號穩值過(guò)程進(jìn)行信息融合處理,可得動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號時(shí)域曲線(xiàn)如圖7所示。

K型熱電偶時(shí)域響應信號波形，如圖8所示。
       由動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號和K型熱電偶時(shí)域響應信號,建立熱電偶差分方程模型?；贖ouseholder算法,計算指標函數結果如表1所示。
       由表1分析得:當n≥2時(shí),J(?)變化趨勢較為緩慢,故可以得到模型階次估計值n=2。進(jìn)而計算2階差分方程模型待辨識參數,可得離散傳遞函數為


       由圖9可以看出,2階模型與3階模型響應曲線(xiàn)較為相近,1階系統吻合度相對較差。由不同階次熱電偶動(dòng)態(tài)系統與實(shí)際響應信號的相關(guān)系數,對不同系統仿真效果進(jìn)行定量評估。1階、2階及3階系統與實(shí)際響應信號的相關(guān)系數分別為.R1=0.9824,r2=0.9967,r3=0.9958,因此可知2階系統仿真結果與實(shí)際響應曲線(xiàn)最為接近,與前述內容分析結果一致。
4結論
       熱電偶動(dòng)態(tài)特性研究需要基于可靠、可溯源的動(dòng)態(tài)溫度校準裝置實(shí)現。本論文基于傳統激波管的改造,實(shí)現了動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號的發(fā)生，基于高頻響壓力傳感器和精度高溫度傳感器響應信號的信息融合,實(shí)現了動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號的溯源。結果表明:動(dòng)態(tài)溫度校準裝置可以產(chǎn)生較為理想的動(dòng)態(tài)溫度校準標準信號且滿(mǎn)足可溯源性要求。以K型熱電偶為被校準對象，開(kāi)展了動(dòng)態(tài)校準實(shí)驗，建立了K型熱電偶動(dòng)態(tài)數學(xué)模型,動(dòng)態(tài)校準實(shí)驗結果表明,所建立的熱電偶動(dòng)態(tài)模型合理可靠。本論文提出的動(dòng)態(tài)溫度校準裝置和熱電偶動(dòng)態(tài)特性研究方法,對于氣體介質(zhì)條件下溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性評價(jià)提供了有益的探索與嘗試。