表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量方法研究

吳方，楊新圓，王莉

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

表面溫度傳感器作為重要的溫度測(cè)量?jī)x器可以用于測(cè)量各種金屬材料、塑膠、木材等固體表面的溫度。為提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常表面溫度傳感器在使用前應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果用于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

表面溫度傳感器的檢測(cè)方式依據(jù)被測(cè)物體的狀態(tài)分為兩種，當(dāng)被測(cè)物體的表面溫度不隨時(shí)間變化時(shí)，使用靜態(tài)檢測(cè)方式，通過(guò)檢測(cè)得出表面溫度傳感器的示值誤差，用于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正以得到準(zhǔn)確的實(shí)際溫度值。當(dāng)被測(cè)物體的表面溫度隨時(shí)間變化時(shí)，使用動(dòng)態(tài)檢測(cè)方式，通過(guò)檢測(cè)得出表面溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)，用于對(duì)表面溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的計(jì)算。

1 表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量方法現(xiàn)狀

目前已有的表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法是脈沖激光法，其工作原理是用高功率CO2激光器作為階躍溫度發(fā)生裝置，當(dāng)裝置發(fā)生的激光光束打到表面溫度傳感器的感溫元件上時(shí)，能使表面溫度傳感器經(jīng)歷一個(gè)階躍溫升過(guò)程，由示波器記錄表面溫度傳感器對(duì)這種溫度階躍的響應(yīng)，并根據(jù)響應(yīng)曲線求出傳感時(shí)間常數(shù)，此種方式使表面溫度傳感器的感溫元件直接感受溫度階躍過(guò)程。

在實(shí)際工作中，通常是將表面溫度傳感器固定在被測(cè)表面上來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的溫度值，當(dāng)被測(cè)物體表面發(fā)生溫度階躍變化時(shí)，由于受環(huán)境、材質(zhì)、表面材料的厚度等影響，表面溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)會(huì)與其感溫元件直接感受階躍溫度變化的時(shí)間常數(shù)有所不同。本文介紹一種使用表面溫度階躍變化裝置測(cè)量表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的新方法，以獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

2 表面溫度階躍變化裝置的組成及工作原理

表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的測(cè)量關(guān)鍵是要提供能產(chǎn)生溫度階躍變化的工作表面，本文介紹的用于時(shí)間常數(shù)測(cè)量的表面溫度階躍變化裝置由測(cè)量室、測(cè)量杯、冰水混合物儲(chǔ)存室、溫控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。

表面溫度階躍變化裝置工作原理:表面溫度階躍變化裝置的工作表面初始溫度為室溫，在裝置的儲(chǔ)存室中加入適量的冰和水，開(kāi)啟攪拌機(jī)使冰水充分混合在一起，然后打開(kāi)裝置儲(chǔ)存室與測(cè)量室之間的進(jìn)水控制閥門(mén)，使冰水混合物瞬間充滿整個(gè)工作室的空間，此時(shí)在裝置的工作表面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從室溫到零攝氏度的溫度階躍。

圖1 階躍變化表面溫度裝置結(jié)構(gòu)圖

3 時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法

使用階躍變化表面溫度裝置測(cè)量表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)時(shí)按以下步驟進(jìn)行:

1)表面溫度傳感器的固定和安裝

測(cè)量表面溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)時(shí)需要將其安裝固定在測(cè)量裝置的工作表面上，表面溫度傳感器的安裝和固定使用帶加載裝置的自動(dòng)位移機(jī)構(gòu)。

首先將表面溫度傳感器安裝在自動(dòng)位移機(jī)構(gòu)的夾具上，通過(guò)調(diào)整位移機(jī)構(gòu)前后左右的搖桿，使表面溫度傳感器的感溫元件位于測(cè)量裝置工作表面的有效工作區(qū)域內(nèi)，然后啟動(dòng)垂直方向自動(dòng)位移程序使表面溫度傳感器按照設(shè)定高度緩慢向下移動(dòng)，直至自動(dòng)位移機(jī)構(gòu)顯示加載在表面溫度傳感器上的壓力為8 N 時(shí)停止，此時(shí)表面溫度傳感器被固定在階躍變化表面溫度裝置的測(cè)量表面上。安裝固定工作完成后應(yīng)保證表面溫度傳感器與測(cè)量裝置的工作表面相垂直，同時(shí)表面溫度傳感器的測(cè)量表面還應(yīng)與裝置的工作表面緊密地貼合在一起。

2)測(cè)量前的準(zhǔn)備

將混合比例為1 ∶1 的冰水混合物放置在裝置的冰水儲(chǔ)藏室內(nèi)，開(kāi)啟攪拌電源，使冰水充分混合，以避免堵塞通向測(cè)量裝置測(cè)量室的通道。

3)時(shí)間常數(shù)的測(cè)量

表面溫度傳感器安裝完成后，在室溫下穩(wěn)定15 min即可開(kāi)始進(jìn)行時(shí)間常數(shù)的測(cè)量。啟動(dòng)測(cè)量程序，檢查初始數(shù)據(jù)，確認(rèn)程序工作正常后，打開(kāi)測(cè)量裝置冰水混合物儲(chǔ)藏室與測(cè)量室之間的進(jìn)水控制閥門(mén)。在冰水混合物充滿裝置測(cè)量室的整個(gè)空間時(shí)，裝置工作表面的表面溫度傳感器會(huì)感受到一個(gè)溫度階躍變化的過(guò)程，裝置中的高速數(shù)據(jù)采集器以1000 次/s 的速度采集整個(gè)測(cè)量過(guò)程中被測(cè)表面溫度傳感器的數(shù)據(jù)，不同時(shí)間常數(shù)，傳感器所需記錄時(shí)間不同，時(shí)間常數(shù)τ 越大，傳感器穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，通常表面溫度傳感器在經(jīng)歷10τ ～20τ 的時(shí)間后趨于穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程記錄數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算得到被測(cè)表面溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)τ。

4 測(cè)量實(shí)例及分析

現(xiàn)以K 型的表面溫度傳感器為例，給出在表面溫度階躍變化裝置上時(shí)間常數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明時(shí)間常數(shù)的計(jì)算方法并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。由于高速采集器的采樣次數(shù)為1000 次/s，數(shù)據(jù)量太大不便于全部列出，表1 中僅給出與計(jì)算時(shí)間常數(shù)有關(guān)的部分測(cè)試數(shù)據(jù)，表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量曲線圖見(jiàn)圖2。

圖2 表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)試曲線圖

表1 表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

時(shí)間常數(shù)是指表面溫度傳感器在溫度階躍過(guò)程中顯示溫度T 與初始溫度T0之差達(dá)到溫度階躍量的63.2%所需要的時(shí)間。為計(jì)算時(shí)間常數(shù)需要確定階躍過(guò)程的溫度階躍量、階躍過(guò)程的起始溫度值T0和與之對(duì)應(yīng)的測(cè)量次數(shù)n0、階躍過(guò)程的終止溫度值T1。

階躍過(guò)程起始溫度值T0的確定:在曲線圖中下降沿前端確定大概位置，點(diǎn)擊曲線圖，曲線圖中會(huì)顯示點(diǎn)擊處的測(cè)量次數(shù)和對(duì)應(yīng)的溫度值，在時(shí)間常數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)中找到曲線圖中顯示的測(cè)量次數(shù)和對(duì)應(yīng)的溫度值，觀察該溫度值上下的測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)某次測(cè)量值之后的所有測(cè)量值均小于該值時(shí)，該值即為初始溫度值T0，表1 中第10796 次測(cè)量值對(duì)應(yīng)的溫度26.113℃即為初始溫度T0，即T0=26.113℃，n0=10796。

階躍過(guò)程終止溫度值T1的確定:測(cè)量前根據(jù)表面溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)中給出的時(shí)間常數(shù)值，設(shè)定測(cè)量記錄時(shí)間，測(cè)量完成后截取最后100 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為階躍過(guò)程終止溫度值T1。

溫度階躍過(guò)程的初始溫度值T0和終止溫度值T1確定之后，按公式(1)計(jì)算溫度階躍量ΔT，按公式(2)計(jì)算階躍量ΔT 的63.2%對(duì)應(yīng)的溫度值T63.2%，按公式(3)計(jì)算時(shí)間常數(shù)τ。

依據(jù)表1 測(cè)量數(shù)據(jù)可以得出:

ΔT=T0-T1=26.113-0.193=25.920(℃)

T63.2%=ΔT·63.2%=25.920·63.2%=16.381(℃)

溫度階躍量ΔT 的63.2%對(duì)應(yīng)的溫度值T63.2%計(jì)算得出后，在時(shí)間常數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)表中找到與計(jì)算得出的溫度值T63.2%最接近的測(cè)量次數(shù)值。在表1 中與16.381℃最接近的溫度值為第11125 次測(cè)量值，對(duì)應(yīng)的溫度值為16.396℃，即n63.2%=11125。該表面溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)為

τ=(n63.2%-n0)/1000

=(11125-10796)/1000=0.33(s)

實(shí)際工作中時(shí)間常數(shù)的計(jì)算工作由時(shí)間常數(shù)計(jì)算軟件完成。用階躍變化表面溫度裝置測(cè)量表面溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)時(shí)，階躍起始時(shí)刻時(shí)間記錄誤差、階躍終止時(shí)刻時(shí)間記錄誤差、數(shù)據(jù)采集卡的采集周期、測(cè)量重復(fù)性、導(dǎo)熱板厚度、階躍量的63.2%對(duì)應(yīng)的測(cè)量次數(shù)的選取不精確，都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不確定度，經(jīng)分析計(jì)算用該裝置測(cè)量時(shí)間常數(shù)時(shí)，其測(cè)量結(jié)果的不確定度約為0.06 s。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的表面溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法，采用可以模擬表面溫度傳感器工作狀態(tài)的測(cè)量裝置，即在時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置的工作表面上產(chǎn)生溫度階躍變化的過(guò)程，此方法更加貼近表面溫度傳感器使用時(shí)的情況，因而測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)、準(zhǔn)確。作為一種新的時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法，對(duì)用于測(cè)量動(dòng)態(tài)變化溫度的表面溫度傳感器的使用具有一定的參考價(jià)值。

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