熱電偶延誤量特性研究

摘要：用熱電偶進(jìn)行溫度動(dòng)態(tài)測試時(shí)常用階躍溫度信號作為激勵信號，而階躍溫度施加在熱電偶表面的時(shí)刻與熱電偶開(kāi)始響應輸出的起始時(shí)刻存在一定的延遲量，且該量值對熱電偶的動(dòng)態(tài)特性具有較大的影響。為了探究該延遲量與熱電偶動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系，研究以激光器作為激勵源，得到了溫度上升時(shí)間小于20μS的階躍溫度信號。用微透鏡陣列對激光光束進(jìn)行均勻化處理，使光斑內能量均勻分布。用高速輻射溫度計實(shí)時(shí)監測偶結表面的溫度，得到了精確溫度下的熱電偶動(dòng)態(tài)特性。最后對3種不同直徑的K型熱電偶和C型快速響應熱電偶進(jìn)行了對比實(shí)驗，分析了不同條件下延誤量與熱電偶時(shí)間常數的關(guān)系，為熱電偶接觸式測溫精度和動(dòng)態(tài)特性的提升提供了參考。
0引言
　　熱電偶的動(dòng)態(tài)特性是衡量其快速測溫能力的重要評價(jià)指標之一，對于瞬態(tài)溫度測試具有極其重要的作用。隨著(zhù)我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機作為動(dòng)力來(lái)源，正向高馬赫數、高可靠性、高性能、高推重比發(fā)展。而航空發(fā)動(dòng)機的高溫測試，主要針對對燃氣、壁面及熱端部件的溫度。從航空發(fā)動(dòng)機設計和驗證試驗的需求來(lái)看，掌握其核心部件的瞬態(tài)溫度對于提升發(fā)動(dòng)機性能、延長(cháng)發(fā)動(dòng)機壽命很有必要。熱電偶作為接觸式測溫的主要方式之一，具有較高的可靠性，因此研究其動(dòng)態(tài)響應特性對航空領(lǐng)域的瞬態(tài)測溫有著(zhù)重要意義。時(shí)間常數作為熱電偶動(dòng)態(tài)特性最重要的指標，是判斷熱電偶質(zhì)量和使用范圍的重要物理量，因此對其進(jìn)行正確測試和分析尤為重要。其測量方法主要是溫度階躍響應法。但熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性的影響因素很多，多數情況下，僅通過(guò)時(shí)間常數并不能完全反應其動(dòng)態(tài)特性。清華大學(xué)的熊劍等在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現階躍溫度激勵信號作用在熱電偶偶結上的時(shí)刻和熱電偶響應的起始時(shí)刻存在一定的時(shí)間延遲。為了探索該時(shí)間延遲與熱電偶的時(shí)間常數有何種關(guān)系，采用丁烷火焰槍作為階躍溫度激勵源，對不同偶結的K型熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，研究了該時(shí)間延長(cháng)與熱電偶時(shí)間常數的關(guān)系。
　　本文采用上升時(shí)間＜20μS、功率上限為515Ｗ的半導體激光器取代火焰槍作為激勵源。同時(shí)對激光光束進(jìn)行了均勻化處理，并用高速紅外輻射溫度計實(shí)時(shí)監測熱電偶表面溫度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。通過(guò)多組實(shí)驗，得出了不同偶絲直徑、不同激光功率兩種條件下延誤量與時(shí)間常數的關(guān)系，并分析了造成此測試結果的可能性因素。為提高熱電偶動(dòng)態(tài)測試正確性提供了參考。
1熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性測試原理
　　熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性分析模型，通常是在忽略熱電偶內部溫度分布、自身導熱和與環(huán)境輻射換熱的假設條件下，按一階常微分方程處理。當采用階躍溫度信號對熱電偶的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試時(shí)，由于熱電偶的熱慣性，使得階躍溫度激勵施加在熱電偶表面的時(shí)刻與熱電偶產(chǎn)生塞貝克效應，開(kāi)始響應輸出的起始時(shí)刻之間有一定的時(shí)間差，通常將這一時(shí)間差稱(chēng)為熱電偶延誤量，用Δt表示，計算方法如下：
 
　　式中：t1表示階躍溫度激勵施加在熱電偶表面的時(shí)刻；t2表示熱電偶響應的起始時(shí)刻。時(shí)間常數τ的計算方法如式（2）。
 
 
　　式中：t3表示熱電偶偶結溫度到達階躍溫差tg－t0的63.2％的時(shí)刻。圖1所示為熱電偶延誤量示意圖。
2熱電偶動(dòng)態(tài)響應測試系統
　　為了探究熱電偶延誤量與其動(dòng)態(tài)響應特性的關(guān)系，搭建了熱電偶動(dòng)態(tài)響應測試系統，該測試系統如圖2所示。由溫度激勵模塊、光學(xué)模塊、動(dòng)態(tài)測試模塊3部分組成。
　　測試過(guò)程如下：由脈沖控制器設定階躍激勵信號，通過(guò)驅動(dòng)器控制激光器產(chǎn)生一個(gè)階躍溫升。由于該激光器上升時(shí)間≤20μS，因此可近似認為是理想的階躍溫度激勵。激光光束經(jīng)光學(xué)模塊準直、均勻、聚焦后形成功率分布均勻的光斑，作用在被測熱電偶偶結上。熱電偶輸出信號經(jīng)動(dòng)信號調制電路放大、濾波后由采集系統得到其響應曲線(xiàn)。采集系統同時(shí)采用光電探測器監測激光激勵曲線(xiàn)。為了得到動(dòng)態(tài)響應下的熱電偶的正確溫度，同時(shí)確保激光不對熱電偶造成損傷，采用高速輻射溫度計實(shí)時(shí)監測熱電偶表面溫度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。
 
 
　　與其他熱電偶動(dòng)態(tài)測試系統相比，該系統優(yōu)勢如下：采用激光器作為激勵源，可以得到更為理想的階躍溫度激勵，進(jìn)而可以對響應速度更快的熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試；采用微透鏡對激光光束進(jìn)行均勻化處理，使光斑內能量均勻分布，提升了測試系統的可重復性和正確性；用高速輻射溫度計實(shí)時(shí)監測偶結表面溫度，既可以得到具體溫度下的熱電偶動(dòng)態(tài)特性，彌補了“靜標動(dòng)用”的不足。又能作為激光功率的調整依據，避免激勵溫度超過(guò)熱電偶測溫上限，造成不可修復性損傷。
２．1溫度激勵模塊
　　溫度激勵模塊包括脈沖控制器、驅動(dòng)器和激光器，控制器和驅動(dòng)器用于控制激光的開(kāi)啟和關(guān)閉，設置激光輸出信號、加熱時(shí)間等參數。核心部件采用ＲＦL—A500Ｄ半導體激光器，階躍溫度上升時(shí)間＜20μS。激光上升時(shí)間為微秒級別，與利用機械快門(mén)產(chǎn)生階躍溫度激勵的方法相比，系統更加簡(jiǎn)單、可重復性更高且溫度激勵信號更加理想，因此可以對響應極快的熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應測試。
2.2光學(xué)模塊
　　光學(xué)模塊包括QBH光纖準直器、微透鏡陣列和聚焦透鏡。未經(jīng)均勻化的激光光斑能量是呈高斯分布的，激光光斑能量的不均勻性會(huì )影響熱電偶動(dòng)態(tài)校準的精度和可重復性，因此測試系統采用微透鏡陣列法搭建了激光均勻化模塊。該模塊的均勻化過(guò)程主要是對光束進(jìn)行均勻分割后再次聚焦重疊。模塊主要包括準直器、兩片微透鏡陣列和傅里葉透鏡。光源LG產(chǎn)生的有發(fā)散角的激光，經(jīng)過(guò)準直器L1后變?yōu)槠叫泄?。兩片微透鏡陣列LA1和LA2正對平行放置，平行激光光束經(jīng)過(guò)微透鏡陣LA1列后被分隔成若干子光束，并聚焦到微透鏡陣列LA2，兩微透鏡陣列間距30mm≤ｄ≤60mm，避免經(jīng)LA1分割聚焦后的光束對LA2造成熱損傷。微透鏡陣列LA2和傅里葉透鏡L2將激光光束疊加在L2的焦點(diǎn)Ｐ處，其焦距為150mm，圖3所示為均勻化模塊原理［14］。
 
2.3動(dòng)態(tài)測試模塊
　　溫度動(dòng)態(tài)測試模塊實(shí)現對熱電偶的瞬態(tài)加熱和信號采集。為了研究不同溫度下的熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性，需要得到熱電偶表面的溫度值。以往的研究中通常是用靜態(tài)校準得到的溫度－熱電勢對應關(guān)系來(lái)確定動(dòng)態(tài)校準中的熱電偶表面溫度。這種“靜標動(dòng)用”的方法在理論和實(shí)測中的正確性仍有待驗證，因此系統采用KmGA740型高速輻射溫度計對熱電偶表面溫度進(jìn)行精準測量。同時(shí)用tHＯＲLABSＰＤA10A－ＥC型光電探測器監測激光施加到偶結表面的時(shí)間，高速數據采集卡同步采集得到熱電偶響應曲線(xiàn)、光電探測器檢測的激勵曲線(xiàn)和高速輻射溫度計測得的溫升曲線(xiàn)，圖4所示為熱電偶動(dòng)態(tài)測試系統。
 
3實(shí)驗結果
　　實(shí)驗中，為了研究同類(lèi)型、不同偶絲直徑的熱電偶延誤量與時(shí)間常數的關(guān)系，選取了偶絲直徑分別為0.5、0.6、1mm的K型熱電偶，均采用8％的激光功率、12S的階躍溫度激勵進(jìn)行加熱。分別得到階躍溫度激勵施加在偶結表面的時(shí)刻t1、熱電偶響應的起始時(shí)刻t2和熱電偶的時(shí)間常數τ，進(jìn)而計算分析得到延誤量與時(shí)間常數的關(guān)系，圖5～10所示為測試結果波形。
 
 
　　根據電勢值計算可得，當激光加熱功率為8％時(shí)，0.6mmK型熱電偶偶結表面溫度535.6℃，1mm K型熱電偶偶結表面溫度為661.4℃。0.5mmK型熱電偶偶
 
　　結表面溫度低于輻射溫度計量程下限，未能檢測到相關(guān)數據。根據斯忒藩—玻爾茲曼定律的推廣式：
 
　　式中：ε稱(chēng)為物體的發(fā)射率；A為輻射源表面積；σ為斯忒藩—玻爾茲曼常量。因為被測熱電偶具有相同材料，也就具有相同的發(fā)射率。所以偶結越大，輻射源表面積A越大時(shí)，相同的激光加熱功率下，熱電偶表面溫度也不同。根據上述測試波形，各參數如表1所示。
 
　　為了研究不同激勵溫度（激光功率）下熱電偶延誤量與時(shí)間常數的關(guān)系，同時(shí)驗證系統的動(dòng)態(tài)測試上限，選用型號為ZLZ－HS－2的C型急速響應熱電偶進(jìn)行實(shí)驗，如圖11所示。
 
　　根據出廠(chǎng)指標，該熱電偶響應時(shí)間為10mS，精度可達4％。設置激光加熱功率依次為6％、8％、9％，加熱時(shí)間均為10S。對實(shí)驗數據進(jìn)行處理分析，得到不同加熱溫度下延誤量與時(shí)間常數的關(guān)系。圖12～17所示分別為3種激光功率下C型熱電偶的測試波形及放大波形。
 
　　根據測試波形和式（3）計算可知，激光功率為6％、8％、9％時(shí)，C型熱電偶表面溫度分別為481.2℃、895.6℃、988.2℃。各參數如表2所示。

 
 
4實(shí)驗分析
　　由表1可知，隨著(zhù)K型熱電偶偶絲直徑增大（偶結增大），熱電偶的時(shí)間常數、溫升峰值和延誤量Δt均會(huì )增加。由表2可知，用不同激光功率（加熱功率）、相同加熱時(shí)間對同一熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試時(shí)，延誤量Δt與加熱功率沒(méi)有相同的變化趨勢，但與時(shí)間常數正相關(guān)。
5結論
　　本文以高功率半導體激光器為主體，搭建了溫升快、均勻化程度高、響應監測全面的熱電偶動(dòng)態(tài)測試系統。通過(guò)多組對比實(shí)驗研究了熱電偶時(shí)間常數與延誤量的關(guān)系。結果表明，偶絲直徑（偶結大?。┰酱?，其時(shí)間常數和延誤量越大；對于同一熱電偶，延誤量Δt與加熱功率無(wú)關(guān)，與時(shí)間常數成正比關(guān)系。其延誤量約為10mS，為了進(jìn)一步提升熱電偶的動(dòng)態(tài)測溫性能，必須設法減小該延時(shí)效應。