熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究

張根甫郝曉劍桑 濤李巖峰

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究

張根甫1，2，郝曉劍1，2，桑 濤1，2，李巖峰1，2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

激勵(lì)階躍溫度信號(hào)作用在熱電偶偶結(jié)的起始時(shí)刻與熱電偶溫度傳感器響應(yīng)起始時(shí)刻之間存在一定的延誤量，該量不同于熱電偶時(shí)間常數(shù)，量值大小不能通過時(shí)間常數(shù)表征，對熱電偶的動(dòng)態(tài)特性具有較大影響。該文針對爆炸溫度場測試，采用丁烷火焰作為激勵(lì)源，配合快門以及擋板產(chǎn)生階躍溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間＜1s內(nèi)產(chǎn)生的階躍溫度場溫度＞1000℃，通過設(shè)計(jì)制作激勵(lì)源監(jiān)測模塊對該延誤量進(jìn)行測試。對5種不同偶結(jié)的K型熱電偶溫度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將測得的延誤量與時(shí)間常數(shù)對比，分析產(chǎn)生該延誤量的因素及其與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，為熱電偶溫度傳感器進(jìn)行瞬態(tài)溫度信號(hào)測量時(shí)的選型及使用提供參考。

測試計(jì)量技術(shù)及儀器；動(dòng)態(tài)特性；延誤量；熱電偶；時(shí)間常數(shù)

0 引 言

熱電偶溫度傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單、測溫范圍廣、準(zhǔn)確度高而得到廣泛應(yīng)用，伴隨著動(dòng)態(tài)溫度測試需求的與日俱增，熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性已成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。通常使用時(shí)間常數(shù)表示熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的快慢，熱電偶溫度傳感器時(shí)間常數(shù)是指當(dāng)其傳遞函數(shù)按一階處理時(shí)，熱電偶溫度傳感器輸出達(dá)到階躍溫度量63.2%所需要的時(shí)間。目前主要通過熱電偶溫度傳感器對階躍溫度的響應(yīng)來測量時(shí)間常數(shù)，主要包括以下3種方法：激光調(diào)制法[1-4]、投入實(shí)驗(yàn)法[5-6]、熱風(fēng)洞法[7]。但是這些實(shí)驗(yàn)均從熱電偶溫度傳感器對激勵(lì)階躍溫度信號(hào)響應(yīng)曲線上直接獲取時(shí)間常數(shù)，并以此來評(píng)定熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)性能。在具體實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)階躍溫度信號(hào)作用在熱電偶偶結(jié)的起始時(shí)刻與熱電偶溫度傳感器響應(yīng)起始時(shí)刻存在一定延誤，通常把這一延誤稱為熱電偶溫度傳感器延誤量，該量不同于熱電偶時(shí)間常數(shù)，量值大小不能通過時(shí)間常數(shù)表征。如何測量和減少該延誤量對提高熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)性能有重要意義。

本文針對爆炸場溫度測試，提出采用丁烷火焰作為激勵(lì)源，盡可能模擬現(xiàn)場環(huán)境，通過在測試設(shè)備中添加激勵(lì)源監(jiān)測模塊，進(jìn)行多組對比試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對該延誤量與時(shí)間常數(shù)的測試，查找該延誤量與時(shí)間常數(shù)之間關(guān)系，分析延誤量的來源與影響因素，提出減少延誤量的相關(guān)措施，對于提高熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和具體應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 熱電偶溫度傳感器延誤量

式中：T——熱電偶指示溫度；

T0——熱接點(diǎn)初溫；

Te——階躍溫度；

t——熱電偶對階躍溫度的響應(yīng)時(shí)間；

根據(jù)式（1)、式（2)得出的熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。熱電偶指示溫度按指數(shù)曲線上升，理論上時(shí)間到無窮時(shí)，才能達(dá)到階躍溫度，針對一次具體測試，通常采用從熱電偶輸出響應(yīng)曲線上直接獲取時(shí)間常數(shù)，一般認(rèn)為5倍的時(shí)間常數(shù)之后熱電偶與階躍溫度平衡。時(shí)間常數(shù)的計(jì)算公式如式（3)所示，其中t2為熱電偶指示溫度T與初始溫度之差T0達(dá)到63.2%溫度階躍量的時(shí)刻，t1為熱電偶響應(yīng)起始時(shí)刻。

在具體實(shí)驗(yàn)過程中熱電偶對階躍溫度信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，如圖1所示，激勵(lì)階躍溫度信號(hào)作用在熱電偶偶結(jié)的起始時(shí)刻與熱電偶溫度傳感器響應(yīng)起始時(shí)刻存在一定延誤，把這一延誤稱為熱電偶溫度傳感器延誤量，用Δt表示，計(jì)算公式為

1.2.1 TVS檢查 儀器為西門子S2000和esaote MyLabClass C彩超診斷儀。需在月經(jīng)期外實(shí)施檢查。檢查前告知患者排空膀胱，取截石位。將耦合劑涂抹于陰道探頭上并套置乳膠套，在患者宮頸表面或陰道彎隆部置入探頭，行多方面檢查，如縱切、橫切、斜切等，如患者子宮卵巢位置較高、存在明顯的腸氣干時(shí)，可適度加壓腹部，將檢查距離縮短，必要時(shí)可行經(jīng)腹部超聲檢查。對子宮位置進(jìn)行觀察，測量子宮內(nèi)膜厚度以及上下徑、左右徑、前后徑，觀察子宮內(nèi)腫物位置、形態(tài)和子宮內(nèi)膜回聲、子宮形態(tài)、子宮肌壁回聲等。仔細(xì)觀察病變部位血流分布、雙側(cè)附件區(qū)等情況，并測量雙側(cè)卵巢大小。

圖1 熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

因此，單從熱電偶溫度傳感器輸出響應(yīng)曲線上直接獲取時(shí)間常數(shù)，而忽略該延誤量的存在，則測試結(jié)果對于熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的評(píng)定不夠客觀、全面。同時(shí)，在實(shí)際測量中可能造成無法真實(shí)反映輸入信號(hào)，導(dǎo)致測量失敗。

2 測試系統(tǒng)構(gòu)成

針對以上問題，搭建如圖2所示的測試系統(tǒng)，由丁烷火焰、快門以及可移動(dòng)隔熱擋板組成階躍溫度信號(hào)發(fā)生模塊。由于激勵(lì)源監(jiān)測模塊頻響特性遠(yuǎn)優(yōu)于熱電偶溫度傳感器[8]，可將激勵(lì)源監(jiān)測模塊的響應(yīng)時(shí)刻作為階躍溫度作用在熱電偶偶結(jié)的起始時(shí)刻，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)采集熱電偶溫度傳感器和激勵(lì)源監(jiān)測模塊的輸出信號(hào)。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖

具體測試過程如下：保持快門開啟，可移動(dòng)隔熱擋板位于快門后部，丁烷氣噴槍位于快門前部，待丁烷火焰穩(wěn)定，在移開可移動(dòng)擋板的同時(shí)，關(guān)閉快門，待可移動(dòng)擋板移除，快速打開快門。這樣，一方面可使快門受熱時(shí)間最短，避免損壞，另一方面可使熱電偶在受到階躍溫度之前可保持表面溫度穩(wěn)定，快門再次開啟后受到的激勵(lì)溫度波動(dòng)小?？梢苿?dòng)擋板采用耐高溫、隔熱的材料。由于快門開啟時(shí)間＜1s，丁烷氣噴槍火焰溫度＞1000℃，可以認(rèn)為在熱電偶溫度傳感器表面產(chǎn)生階躍溫度激勵(lì)?？扉T再次開啟后，熱電偶和激勵(lì)源監(jiān)測模塊同時(shí)受到丁烷火焰的激勵(lì)，激勵(lì)源監(jiān)測模塊響應(yīng)較快（μs級(jí))，故可將激勵(lì)源監(jiān)測模塊的響應(yīng)時(shí)刻作為階躍溫度信號(hào)起始時(shí)刻t′1。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)采集熱電偶和激勵(lì)源監(jiān)測模塊的輸出信號(hào)，確定熱電偶溫度傳感器響應(yīng)起始時(shí)刻t1及熱電偶溫度傳感器指示溫度T與初始溫度T0之差達(dá)到63.2%溫度階躍量的時(shí)刻t2，進(jìn)而計(jì)算延遲量Δt和時(shí)間常數(shù)。

對比測試過程保持熱電偶溫度傳感器偶結(jié)與丁烷火焰發(fā)生裝置相對位置固定，使用丁烷火焰穩(wěn)定部分均勻覆蓋熱電偶溫度傳感器偶結(jié)，同時(shí)保證火焰大小固定。

2.1 階躍溫度信號(hào)發(fā)生模塊

測試裝置中使用的丁烷火焰大小可自由調(diào)節(jié)，實(shí)物圖如圖3所示，通過熱電偶實(shí)測得到火焰最高溫度為1200℃。火焰接近管口部分直徑約2cm，可較好覆蓋熱電偶溫度傳感器偶結(jié)。使用紅外熱像儀對丁烷火焰進(jìn)行拍攝，所得圖像如圖4所示，發(fā)現(xiàn)火焰接近管口部分溫度變化小。同時(shí)，這部分火焰抖動(dòng)小，較為穩(wěn)定。因此，在測試過程中使用接近管口的火焰，可使熱電偶溫度傳感器偶結(jié)處于穩(wěn)定的溫度場。

2.2 激勵(lì)源監(jiān)測模塊

圖3 丁烷火焰實(shí)物圖

圖4 丁烷火焰熱像儀圖

激勵(lì)源監(jiān)測模塊由探測器及其信號(hào)調(diào)理電路組成。由于激勵(lì)源監(jiān)測模塊需響應(yīng)丁烷火焰，因此首先要確定丁烷火焰光譜分布范圍[9]。采用海洋光學(xué)USB 4000光譜儀測量丁烷火焰光譜分布，其光譜響應(yīng)范圍200～1000nm，具有4種觸發(fā)模式，16位A/D轉(zhuǎn)換，測得丁烷火焰光譜分布如圖5所示，發(fā)現(xiàn)丁烷火焰光譜主要分布在480～580nm之間，峰值波長為518.58nm，但強(qiáng)度較弱。根據(jù)丁烷火焰的光譜分布范圍，選定SIEMENS公司BPW21硅光電二極管作為探測器，其光譜響應(yīng)相對靈敏度如圖6所示，光譜響應(yīng)度0.34A/W（波長為550nm)，峰值響應(yīng)波長550nm，光譜響應(yīng)范圍350～820nm與丁烷火焰匹配較好，上升時(shí)間1.5μs。

圖5 丁烷火焰光譜分布

圖6 探測器光譜響應(yīng)相對靈敏度

該探測器既能在反向偏置電壓的光電導(dǎo)模式下工作，也能在零偏置電壓下的光電模式下工作。其中光電導(dǎo)模式可提供較高的速度，適用于高速場合，因此本電路采用光電導(dǎo)模式[10]。在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意反偏電壓的幅值與連接方法，以及探測器的結(jié)電容與負(fù)載電阻并聯(lián)所決定的電路的時(shí)間常數(shù)[11]。

3 測試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用5種不同偶結(jié)的K型熱電偶溫度傳感器，編號(hào)依次為1#～5#，如圖7所示。其中，1#～3#號(hào)熱電偶帶有保護(hù)套，但保護(hù)套的外形與材料不同，4#和5#熱電偶偶結(jié)裸露，但偶結(jié)形狀不同。在相同工況下進(jìn)行測試，測試波形圖依次如圖8～圖12所示。圖中，曲線1為熱電偶響應(yīng)曲線，曲線2為激勵(lì)源監(jiān)測模塊響應(yīng)曲線為階躍溫度起始時(shí)刻，t1為熱電偶響應(yīng)起始時(shí)刻，t2為熱電偶溫度傳感器指示溫度T與初始溫度T0之差達(dá)到溫度階躍量的63.2%的時(shí)刻。其中，在圖11與圖12中，曲線2逐漸上升是由于隨著熱電偶偶結(jié)溫度升高，偶結(jié)熱輻射增強(qiáng)造成的。

圖7 熱電偶偶結(jié)外形與編號(hào)

圖8 1#熱電偶測試波形圖

圖9 2#熱電偶測試波形圖

圖10 3#熱電偶測試結(jié)果波形圖

圖11 4#熱電偶測試結(jié)果波形圖

測試結(jié)果如表1所示，發(fā)現(xiàn)延誤量Δt所占時(shí)間常數(shù) 的百分比最大為8.8%，最小為4.4%，具有一定的分散性。將帶保護(hù)套與偶結(jié)裸露的熱電偶進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)延誤量Δt占時(shí)間常數(shù) 比例的大小與有無保護(hù)套不相關(guān)，不能簡單認(rèn)為偶結(jié)裸露的熱電偶延誤量Δt占時(shí)間常數(shù) 比值小于帶保護(hù)套的。

圖12 5#熱電偶測試結(jié)果波形圖

表1 5種熱電偶測試數(shù)據(jù)表

該延誤量的存在是因?yàn)闊崮苁紫扰c熱電偶偶結(jié)表面膜層作用，而后通過表面膜層將熱能傳導(dǎo)至熱電偶偶結(jié)產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)，熱電偶響應(yīng)輸出。通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱電偶偶結(jié)表面情況對該延遲量影響很大，如有無保護(hù)套、表面粗糙度、表面形狀等。同時(shí)，溫度場差異以及溫度場與熱電偶偶結(jié)之間的介質(zhì)對該延誤量也有較大影響。對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰、爆炸溫度場等復(fù)雜環(huán)境的瞬態(tài)溫度的測試，在進(jìn)行測量儀器選型時(shí)不僅要考慮熱電偶溫度傳感器時(shí)間常數(shù)，也需考慮這個(gè)響應(yīng)延誤量，在不破壞溫度場的情況下,應(yīng)盡量減少該延誤量，例如在熱電偶偶結(jié)處添加抽氣裝置等，否則可能造成測試結(jié)果失真，不能真實(shí)反映被測溫度信號(hào)。

4 結(jié)束語

本文對K型熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，在時(shí)間常數(shù)測試中添加激勵(lì)源監(jiān)測模塊，對激勵(lì)階躍溫度信號(hào)作用在熱電偶偶結(jié)的起始時(shí)刻與熱電偶溫度傳感器響應(yīng)起始時(shí)刻之間存在的延誤量測試，通過多組對比試驗(yàn)，測得該延誤量，并指出該延誤量與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，探討了產(chǎn)生該延誤量的原因，分析主要影響因素，并提出減少該延誤量的相關(guān)措施，為改進(jìn)熱電偶溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性提供了參考。

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Study on the dynamic response of thermocouple temperature sensor

ZHANG Genfu1，2，HAO Xiaojian1，2，SANG Tao1，2，LI Yanfeng1，2
（1.National Key LAB For Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In this paper it has pointed out that there is a delay amount between the starting time of the incentive step temperature signal and the response time of the temperature sensor.The delay amount is different from the thermocouple time constant.It can not be characterized by the time constant and greatly affects the dynamic characteristics of the thermocouple.According to the specific application background，butane flame was used as an excitation source with the shutter and baffle to generate step temperature signals so as to reach a step temperature higher than 1000℃ within 1s.An incentive source monitoring module was designed to test the delay and 5 kinds of K type thermocouples with different thermocouple junctions.The relationship between the factor of the delay and the time constant was analyzed，which provided a reference for the selection and application of the temperature sensor to measure the transient temperature signal.

measurement technology and instrument；dynamic characteristics；delay amount；thermocouple；time constant

A

：1674-5124（2015）10-0068-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.015

2015-06-05；

：2015-07-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61473267)國防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目（JSJC2013408C009)

張根甫（1990-)，男，河南平頂山市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與光電儀器方面研究與應(yīng)用。