熱電偶溫度傳感器響應時(shí)間測試及分析

摘要：在國防及航天領(lǐng)域研究熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應特性對動(dòng)態(tài)過(guò)程的測量精度和控制系統的實(shí)時(shí)性具有十分重要的工程價(jià)值和現實(shí)意義。使用熱電偶溫度傳感器響應時(shí)間測試系統對7只不同結構的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行試驗根據對比分析時(shí)間常數及響應時(shí)間的測試結果為動(dòng)態(tài)溫度信號測量過(guò)程中熱電偶溫度傳感器的選型及使用提供參考。
1引言
　　在瞬態(tài)溫度測量過(guò)程中溫度隨時(shí)間不斷變化,同時(shí)測試環(huán)境可能存在高壓或高速流動(dòng)的情況,由于熱電偶溫度傳感器內部感溫元件的熱慣性及自身存在的有限熱傳導測得的溫度與實(shí)際溫度存在著(zhù)一定的偏差因此要保證瞬態(tài)測溫的精度是非常困難的。為盡量減少此類(lèi)系統誤差;需要采用動(dòng)態(tài)校準的方法對傳感器的測溫結果進(jìn)行修正使其更接近于真實(shí)的溫度信號。
　　隨著(zhù)現代科技的高速發(fā)展特別是在航天領(lǐng)域,飛行器飛行時(shí)間短溫度變化快熱電偶溫度傳感器應能迅速感受環(huán)境溫度并能及時(shí)跟蹤溫度的變化。單純提高熱電偶溫度傳感器穩態(tài)情況下的精度是滿(mǎn)足不了動(dòng)態(tài)測溫要求的因此減小熱慣性增強快速正確測溫能力是現代測溫技術(shù)的發(fā)展方向。只有提高熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應特性并通過(guò)動(dòng)態(tài)校準技術(shù)進(jìn)行修正才可能達到動(dòng)態(tài)測溫的要求。許多單位雖開(kāi)展了熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)校準工作。但由于熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應特性與其使用環(huán)境等有直接關(guān)系造成各單位的動(dòng)態(tài)校準存在了一定差異很多內容沒(méi)有得到統一的結論。熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)校準的工程價(jià)值及現實(shí)意義使其研究和應用成為工程技術(shù)人員越來(lái)越關(guān)注的課題。對熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)校準的實(shí)驗研究方法主要有:①傳統的標準實(shí)驗法即投入實(shí)驗法251。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用適用于較小的溫度階躍,但現場(chǎng)動(dòng)態(tài)校準的實(shí)用性較差”。②熱電偶瞬時(shí)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(wú)法計算保護罩對熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響。③激波管法。這種方法存在的問(wèn)題是:溫度階躍平臺保持時(shí)間短不足以使熱電偶溫度傳感器的輸出響應達到穩態(tài)值，從而無(wú)法得到可靠的時(shí)間常數值。④激光法"2-10。這種方法產(chǎn)生溫度階躍的延遲時(shí)間短并且激勵信號的頻譜能充分覆蓋被校準系統的全部模態(tài)。但是它同樣存在著(zhù)熱電偶瞬時(shí)電加熱法的缺點(diǎn)。
　　此次試驗中被測傳感器結構各異部分傳感器有保護罩為方便進(jìn)行對比本文采用投入實(shí)驗法使.用自動(dòng)投入裝置將不同結構的熱電偶溫度傳感器投入恒溫油槽中通過(guò)高速數據采集器記錄實(shí)驗數據,結合產(chǎn)品結構對比試驗數據分析傳感器動(dòng)態(tài)響應特性的影響因素對動(dòng)態(tài)溫度信號測量過(guò)程中熱電偶溫度傳感器的選型及使用具有一定的參考價(jià)值。
2動(dòng)態(tài)響應特性測試原理
　　任何一個(gè)熱電偶溫度傳感器的測溫過(guò)程中無(wú)論它內部的物理過(guò)程如何進(jìn)行,它的動(dòng)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(xiàn)性)來(lái)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(guò)程的微分方程即熱電偶溫度傳感器的數學(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(dòng)態(tài)特性視為--階系統根據動(dòng)態(tài)標定實(shí)測曲線(xiàn)計算其動(dòng)態(tài)響應性能。由熱電偶溫度傳感器敏感元件的理想傳熱規律(單位時(shí)間對流換熱量=單位時(shí)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(mén)-T0=(Te-T0)(1-e^-t/τ)。
　　式中:M一傳感器換熱部分的質(zhì)量,kg;Cp一傳感器材料的比熱容J/(kg.℃);T一傳感器指示溫度,℃;t一響應時(shí)間,s;h-對流換熱系數,W/(m²·℃);A--面積,m²;Te一環(huán)境階躍溫.度℃;T0一傳感器初始溫度,℃;τ一時(shí)間常數s。
　　熱電偶溫度傳感器的動(dòng)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過(guò)程跟蹤記錄傳感器的響應過(guò)程計算出響應時(shí)間和時(shí)間常數。如圖1所示當t=τ時(shí)時(shí)間常數(t)是熱電偶溫度傳感器的指示溫度(T)與初始溫度(T0)之差達到總溫度階躍(Tc-T0)的63.2%(即1-1/e)所需的時(shí)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。
 
3動(dòng)態(tài)響應特性測試系統構成
　　根據實(shí)驗特點(diǎn)搭建熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應特性測試系統。由標準恒溫油槽提供90℃的階躍溫度并采用標準鉑電阻溫度計監測油槽的溫度;使用電磁鐵控制的自動(dòng)投入裝置將熱電偶溫度傳感器快速投入標準恒溫油槽中;傳感器投入過(guò)程中采用德國HBM公司生產(chǎn)的Gen2i數據記錄儀進(jìn)行數據采集并記錄。傳感器初始溫度為恒溫實(shí)驗室室溫每組試驗重復進(jìn)行3次計算平均值作為分析數據。主要設備如圖2所示性能參數如下:
　　標準恒溫油槽:擴展不確定度U=0.03℃(k=2)
　　Gen2i數據記錄儀:采樣頻率1kHz擴展不確定度U=0.05%(k=2)
 
4測試結果與分析
　　試驗選用7只結構均有所差異的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應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。
 
　　根據試驗數據繪制各熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間曲線(xiàn),如圖4所示其中圖4(a)和圖4(b)為同一傳感器的響應時(shí)間曲線(xiàn)為方便與其它傳感器的響應時(shí)間進(jìn)行對比僅其橫坐標范圍有所不同;
根據響應時(shí)間曲線(xiàn)計算出各溫度傳感器的時(shí)間常數如表1所示。
 
　　根據熱電偶溫度傳感器的外觀(guān)可知壁面溫度傳感器1#~4#均有保護外殼保護外殼的存在便會(huì )有熱量的傳遞傳感器內部就必然有溫度梯度。溫度梯度的存在導致熱電偶溫度傳感器偶結的實(shí)際階躍溫度與恒溫油槽提供的階躍溫度存在了--定的延誤。故此可知對含有保護外殼的熱電偶溫度傳感器該試驗法測得的傳感器響應時(shí)間非傳感器敏感元件自身的響應時(shí)間,而是整只傳感器在使用過(guò)程中的實(shí)際響應時(shí)間。
 
　　結合圖4(a~e)和表1可以看出壁面溫度傳感器中1#傳感器實(shí)現動(dòng)態(tài)平衡所需時(shí)間最長(cháng)其響應時(shí)間曲線(xiàn)相對平緩,時(shí)間常數最大,達到36.89s;響應時(shí)間t0.5和t0.9則分別為27.62s和86.13s，也明顯長(cháng)于其它結構的傳感器。該熱電偶傳感器將感溫元件完全置于膠木材質(zhì)的保護套內部,對感溫元件起到良好的保護作用,同時(shí)膠木作為絕緣材料還可以很好的預防電磁環(huán)境對電壓信號的干擾。但是,該保護套材料導熱系數很小熱電偶溫度傳感器無(wú)法快速實(shí)現熱平衡,比較適用于溫差變化不大的電磁環(huán)境長(cháng)時(shí)間測溫過(guò)程不適用于快速響應測溫過(guò)程。2#傳感器保護套材質(zhì)仍為膠木,但感溫元件覆在膠木的表層測溫過(guò)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較快,響應時(shí)間t0.5和時(shí)間常數τ明顯短于1#傳感器但實(shí)現恒溫狀態(tài)(環(huán)境熱電偶元件-膠木熱平衡)的時(shí)間仍較長(cháng)。3#傳感器和4#傳感器雖具有相似的外觀(guān)的結構但3#傳感器的響應時(shí)間和時(shí)間常數明顯短于4#傳感器再次觀(guān)察外觀(guān)如圖5所示3#傳感器的金屬保護殼很薄保護殼越薄其導熱熱阻越小導熱效果就越好傳感器的響應時(shí)間就短。
 
　　結合圖3(f~h)和表1可以看出空氣溫度傳感器中6#傳感器的響應時(shí)間to.s、時(shí)間常數T和響應時(shí)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伸出端均較長(cháng)但5#傳感器的熱電偶偶結處于開(kāi)孔的保護套管中而6#傳感器的熱電偶偶結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(shí)現動(dòng)態(tài)熱平衡的時(shí)間較長(cháng)。
5結束語(yǔ)
　　通過(guò)熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應特性測試系統對不同結構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時(shí)間特性與感溫元件的外部結構形式有很大關(guān)系。具有保護外殼的壁面類(lèi)熱電偶溫度傳感器其響應時(shí)間明顯長(cháng)于熱電偶偶結直接裸露的空氣類(lèi)熱電偶溫度傳感器?？焖夙憫谋诿鏌犭娕紲囟葌鞲衅髌浔Ｗo外殼應使用熱導率高的材料殼體要薄,以減少不必要的接觸熱阻?？焖夙憫目諝鉄犭娕紲囟葌鞲衅鲬_保熱電偶偶結可與被測流體進(jìn)行快速有效的熱交換減小不必要的保護外殼增大與被測流體直接接觸的有效感溫表面積。