丁 炯,唐 宵,楊遂軍,葉樹(shù)亮
(中國(guó)計(jì)量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所,杭州 310018)
瞬態(tài)溫度的高時(shí)間分辨率測(cè)量在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究、含能材料研制、化學(xué)品熱危險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域具有重要意義。此類(lèi)溫度場(chǎng)通常伴隨著高壓、強(qiáng)對(duì)流等特點(diǎn)。選擇動(dòng)態(tài)特性卓越的溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)此類(lèi)溫度場(chǎng)高保真記錄的前提。因溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性不僅與自身熱物性相關(guān),且與應(yīng)用場(chǎng)合緊密聯(lián)系[1],使得至今尚未形成統(tǒng)一的快速響應(yīng)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定方法,這給傳感器選型帶來(lái)障礙。
目前廣泛采用的溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定方法是對(duì)被測(cè)傳感器施加階躍形式溫度激勵(lì),記錄傳感器響應(yīng)曲線(xiàn),計(jì)算響應(yīng)時(shí)間[2]。溫度階躍激勵(lì)本身斜率不陡峭是該方法的主要誤差來(lái)源,特別是對(duì)于快速響應(yīng)溫度傳感器的標(biāo)定。所以,研究理想的溫度突變產(chǎn)生方法及裝置是當(dāng)前快速響應(yīng)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3]。
常用于溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定的溫度突變激勵(lì)產(chǎn)生方法包括水浴投擲法[4]、滴水法[5]、激光法[6]、火焰法[7]、激波管法、熱風(fēng)洞法等。其中前4種標(biāo)定法工況及熱傳導(dǎo)方式與主流快速響應(yīng)溫度傳感器應(yīng)用場(chǎng)合相差甚遠(yuǎn),所得標(biāo)定結(jié)果對(duì)應(yīng)用于上述高壓、強(qiáng)對(duì)流溫度場(chǎng)測(cè)量的傳感器選型參考價(jià)值不大。激波管法和熱風(fēng)洞法產(chǎn)生的溫度突變伴隨著高壓、強(qiáng)對(duì)流等特點(diǎn),在溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定中被廣泛研究。國(guó)外學(xué)者Buttsworth[5],Irimpan[8]及國(guó)內(nèi)學(xué)者郭七一[9]、孟曉風(fēng)[10]等人采用激波管分別對(duì)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定進(jìn)行研究。激波管雖能產(chǎn)生理想階躍,但其產(chǎn)生的階躍幅度小,維持時(shí)間短,使得實(shí)驗(yàn)實(shí)施困難。國(guó)外學(xué)者Fr?hlich[11]、國(guó)內(nèi)學(xué)者趙時(shí)安[12]等采用風(fēng)洞裝置模擬內(nèi)燃機(jī)溫度場(chǎng),實(shí)現(xiàn)氣體溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定。但其溫度階躍通過(guò)傳感器包罩結(jié)構(gòu)機(jī)械加載或撤離發(fā)生,階躍邊沿斜率低,難以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)氣體溫度傳感器標(biāo)定,且風(fēng)洞裝置體積大,成本高,普及推廣困難。
本文針對(duì)現(xiàn)有激波管及熱風(fēng)洞法存在裝置體積大、成本高、階躍幅度小或邊沿斜率低的缺點(diǎn),提出基于物質(zhì)熱分解產(chǎn)生高速爆燃?xì)饬鞯臏囟葌鞲衅鲃?dòng)態(tài)特性標(biāo)定方法,設(shè)計(jì)低成本、小型化標(biāo)定裝置,分析影響標(biāo)定結(jié)果主要因素,驗(yàn)證該方法在快速響應(yīng)溫度傳感器標(biāo)定中的可行性。
在溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定過(guò)程中,其常被視為一階系統(tǒng),通過(guò)計(jì)算其時(shí)間常數(shù)來(lái)量化表征該傳感器動(dòng)態(tài)性能。將溫度傳感器視作一集總熱容法模型[13],其在流場(chǎng)中的熱平衡簡(jiǎn)化表達(dá)式為:
(1)
式中:c為傳感器材料比熱;ρ為傳感器材料密度;V為傳感器體積;T為傳感器瞬時(shí)溫度;Tf為流體真實(shí)溫度;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);S為傳感器的表面積;t為時(shí)間。求解上述微分方程可得:
(2)
圖1 溫度傳感器時(shí)間常數(shù)定義,溫度坐標(biāo)已歸一化
根據(jù)定義,時(shí)間常數(shù)τ是溫度傳感器所測(cè)溫度T與初始溫度T0之差達(dá)到溫度階躍值(Tf-T0)的63.2%所經(jīng)歷的時(shí)間,如圖1所示。
在實(shí)際的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中,τ可通過(guò)計(jì)算初始溫度T0,最終穩(wěn)態(tài)溫度Tf,及中間溫度點(diǎn)T0+(Tf-T0)×63.2%的時(shí)間間隔獲取。但在這種計(jì)算方法中,測(cè)量結(jié)果僅取決于單點(diǎn)的溫度瞬時(shí)值,易受實(shí)驗(yàn)過(guò)程中噪聲和干擾影響,可靠性不高。若將式(2)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換,可得:
(3)
通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的溫度傳感器響應(yīng),計(jì)算式(3)左側(cè)對(duì)數(shù)函數(shù)、繪制曲線(xiàn),通過(guò)線(xiàn)性擬合計(jì)算斜率,即可獲得時(shí)間常數(shù)τ。該方法中,傳感器響應(yīng)過(guò)程中所有數(shù)據(jù)均參與時(shí)間常數(shù)計(jì)算。相對(duì)于定義描述的計(jì)算過(guò)程,該方法對(duì)噪聲和干擾免疫性更強(qiáng),測(cè)試結(jié)果更加可靠。本文擬采用該計(jì)算方法進(jìn)行快速響應(yīng)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定。
為了真實(shí)模擬被測(cè)溫度傳感器高壓、強(qiáng)對(duì)流使用環(huán)境,產(chǎn)生階躍幅度大、邊沿斜率理想的溫度突變信號(hào),本文以化學(xué)物質(zhì)受熱分解生成大量氣體為基礎(chǔ),模擬激波管結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)一個(gè)可用于快速響應(yīng)溫度動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定的小型化、低成本實(shí)驗(yàn)裝置。整個(gè)標(biāo)定裝置由溫度突變發(fā)生系統(tǒng)、標(biāo)定測(cè)試管、信號(hào)采集系統(tǒng)等組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定裝置示意圖
溫度突變發(fā)生系統(tǒng)由壓力容器、壓力傳感器、氣體溫度傳感器、樣品容器、電加熱爐、破裂板等組成。每次實(shí)驗(yàn)前,樣品容器內(nèi)裝載常溫下穩(wěn)定,受熱易分解產(chǎn)生大量氣體的固體化學(xué)物若干。本文以5 g過(guò)氧化苯甲酰(BPO)為例,其受熱分解產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w。通過(guò)電加熱爐控制化學(xué)品升溫,直至壓力容器內(nèi)氣壓超出破裂板承壓極限,瞬間破裂,停止加熱。此時(shí),爆破口形成一股高壓、高速氣流沖向測(cè)試管,為待標(biāo)定溫度傳感器提供具有一定時(shí)間寬度的溫度沖擊信號(hào)。高頻響壓力傳感器用于記錄破裂板爆破瞬間氣壓,推算氣流流速;氣體溫度傳感器用于記錄分解氣體最終溫度。破裂板通常為鋁膜或紙膜,可選擇不同厚度產(chǎn)生不同沖擊氣流流速。
本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定裝置近似為一簡(jiǎn)單的激波管模型。其中溫度突變發(fā)生系統(tǒng)可認(rèn)為是激波管的高壓段,標(biāo)定測(cè)試管可視作激波管的實(shí)驗(yàn)段,簡(jiǎn)化模型如圖3所示。實(shí)驗(yàn)段管道為內(nèi)徑32 mm,外徑42 mm,長(zhǎng)度為212 mm的圓管,通過(guò)螺紋與溫度突變發(fā)生系統(tǒng)上方爆破口連接,集成溫度傳感器夾持裝置,可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)溫度傳感器侵入氣流深度。
圖3 標(biāo)定測(cè)試管的氣體動(dòng)力學(xué)示意圖
破膜瞬間,產(chǎn)生一個(gè)左行的膨脹波和右行的激波。其中2區(qū)是1區(qū)氣體經(jīng)過(guò)激波壓縮后的氣體狀態(tài);3區(qū)是4區(qū)高壓段氣體經(jīng)過(guò)膨脹波后的狀態(tài)
將管內(nèi)流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維非定常等熵流,根據(jù)理想激波管流動(dòng)理論,激波馬赫數(shù)滿(mǎn)足如下表達(dá)式[14]:
(4)
(5)
式中:p4與p1分別是高壓段、低壓段的初始?jí)毫χ?p4可實(shí)測(cè)獲得,p1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;γ4與γ1分別是高壓段、低壓段氣體初始絕熱指數(shù);T4與T1分別是高壓段、低壓段的熱力學(xué)溫度,T4可實(shí)測(cè)獲得,T1為環(huán)境室溫;R4與R1分別是高壓段、低壓段氣體常數(shù)。根據(jù)上述參量,可以計(jì)算獲取激波馬赫數(shù)MS。再根據(jù)馬赫數(shù)計(jì)算獲取激波后續(xù)氣體流速v:
(6)
該氣流為溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定提供溫度突變信號(hào)。
信號(hào)采集系統(tǒng)由放大電路、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)采集軟件組成。其中放大電路由高帶寬儀用放大器組成,放大倍數(shù)為100倍;數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)國(guó)家儀器公司的NI 6259采集卡,分辨率為16 bit,采樣率高達(dá)1.25 Msample/s。為了減少數(shù)據(jù)量,采集卡被設(shè)置為觸發(fā)采集模式,由壓力傳感器信號(hào)觸發(fā)。上位機(jī)軟件由LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、壓縮,采集數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)變換、線(xiàn)性擬合及時(shí)間常數(shù)求解。
為了對(duì)上述標(biāo)定方法的影響因素進(jìn)行分析,本文基于流固共軛模型對(duì)溫度傳感器非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程進(jìn)行建模仿真。本文選用OMEGA公司生產(chǎn)的SA1-K粘貼式薄膜熱電偶作為仿真對(duì)象。熱電偶及標(biāo)定測(cè)試管熱物性參數(shù)及邊界條件如表1所示。
表1 熱電偶及標(biāo)定測(cè)試管熱物性參數(shù)及邊界條件
圖4 測(cè)試管及溫度傳感器有限元模型
經(jīng)SolidWorks幾何建模及ANSYS邊界條件設(shè)置后,有限元仿真模型如圖4所示。
由于壁面邊界層是流動(dòng)阻力與熱流的密集區(qū)域,為了提高仿真精度且極大程度的減少計(jì)算復(fù)雜度,邊界處采用三棱柱網(wǎng)格劃分,其他區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分,且熱電偶部分采取了網(wǎng)格加密處理。設(shè)置測(cè)試管入口處高速氣流流速、氣流熱物性參數(shù),環(huán)境溫度等邊界條件后,采用差分格式為高階求解模式對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行求解。
通過(guò)設(shè)置不同氣流流速、氣流溫度對(duì)快速響應(yīng)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析。當(dāng)設(shè)置溫度階躍幅值為358.15 K,入口邊界處的氣流速度為33 m/s、60 m/s、108 m/s、150 m/s、194 m/s時(shí),SA1-K熱電偶的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5所示,時(shí)間常數(shù)見(jiàn)表2。
圖5 SA1-K熱電偶在不同氣流流速下的響應(yīng)曲線(xiàn)
氣流流速/(m/s)時(shí)間常數(shù) /s330.341600.2731080.2121500.1841940.174
由仿真結(jié)果可知?dú)饬魉俣扰c時(shí)間常數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。該結(jié)論也可由相關(guān)理論公式進(jìn)行佐證,根據(jù)氣體湍流及流體對(duì)流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式可知:
(7)
式中:h為對(duì)流換熱系數(shù);u為流體流速;v為運(yùn)動(dòng)粘度;d為管徑;Pr為普朗特?cái)?shù);k為流體熱導(dǎo)率;L為測(cè)試管特征尺寸。將式(7)代入式(3)可得:
(8)
即氣流速度與時(shí)間常數(shù)呈負(fù)相關(guān),其中c為未知常量。
當(dāng)設(shè)置入口邊界處氣體流速為194 m/s,氣體溫度分別為323.15 K,373.15 K,423.15 K,523.15 K,623.15 K,773.15 K,873.15 K時(shí),SA1-K熱電偶的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示,時(shí)間常數(shù)見(jiàn)表3。由仿真結(jié)果可知,氣流溫度與時(shí)間常數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。
圖6 SA1-K熱電偶在不同溫度階躍下的響應(yīng)曲線(xiàn)
階躍溫度/K時(shí)間常數(shù) /s323.150.1596373.150.1788423.150.1874523.150.1949623.150.2001773.150.2527873.150.2864
綜上所述,基于高流速?zèng)_擊氣流場(chǎng)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定結(jié)果受氣流流速、氣體階躍溫度影響,若要獲得準(zhǔn)確的溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定及對(duì)傳感器選型提供重要依據(jù),則標(biāo)定裝置所能提供的氣流流速、氣體階躍溫度范圍應(yīng)包含傳感器實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合所處氣流流速及溫度。
圖7 自主設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定裝置
本節(jié)以自主設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定裝置為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖7所示,BPO為熱分解物質(zhì),采用不同承壓極限的鋁膜、硬紙膜作為破裂板產(chǎn)生不同流速的沖擊氣流,對(duì)OMEGA公司生產(chǎn)的CO1-K,SA1-K熱電偶及日本千野公司的C060-K-GK-3熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定。
圖8 測(cè)試熱電偶
當(dāng)采用0.32 mm厚硬紙膜作為破裂板,根據(jù)實(shí)測(cè)
壓力傳感器示值及式(6)計(jì)算可知,此時(shí)的氣流流速約為194 m/s。以SA1-K、裸露的SA1-K(SA1-K熱電偶揭掉絕緣包裹層)、CO1-K與C060-K-GK-3四種型號(hào)快速響應(yīng)熱電偶作為測(cè)試對(duì)象,獲得其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖9所示。
根據(jù)式(3)計(jì)算其時(shí)間常數(shù),并與對(duì)應(yīng)官方資料給出的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行比對(duì),如表4所示。由表4可知,SA1-K、CO1-K與C060-K-GK-3三種型號(hào)熱電偶的實(shí)測(cè)時(shí)間常數(shù)與官方資料提供的數(shù)據(jù)接近。由此可知,本文提出的基于高速爆燃?xì)饬鳑_擊場(chǎng)的溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定方法及裝置可實(shí)現(xiàn)幾十毫秒級(jí)快速響應(yīng)熱電偶動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定。將被標(biāo)熱電偶最高溫度與氣體溫度傳感器所測(cè)氣流溫度值進(jìn)行對(duì)比,如表5所示。
圖9 不同類(lèi)型快速響應(yīng)熱電偶響應(yīng)曲線(xiàn)
熱電偶實(shí)驗(yàn)時(shí)間常數(shù) /s公司標(biāo)稱(chēng)時(shí)間常數(shù) /sSA1-K0.217<0.3裸露的SA1-K0.031無(wú)CO1-K0.0240.01~0.02C060-K-GK-30.048<0.1
表5 被標(biāo)熱電偶最高溫度與氣體溫度值比對(duì)表
由表5數(shù)據(jù)可知,裸露的SA1-K與CO1-K型熱電偶測(cè)得的最高溫度與氣流真實(shí)溫度值接近,而響應(yīng)速度較慢的SA1-K與C060-K-GK-3型熱電偶所測(cè)最高溫度則與氣體真實(shí)溫度相差較大。這反映了裸露的SA1-K與CO1-K型熱電偶能真實(shí)記錄標(biāo)定溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,說(shuō)明了這兩種熱電偶的動(dòng)態(tài)特性能夠勝任此類(lèi)動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)的測(cè)量。通過(guò)計(jì)算熱電偶測(cè)得的最高溫度與氣流真實(shí)溫度差值,也能從側(cè)面為熱電偶動(dòng)態(tài)特性選型提供參考。
通過(guò)選用0.32 mm厚硬紙膜和0.1 mm厚鋁膜產(chǎn)生約194 m/s和276 m/s流速對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)獲取的SA1-K、 CO1-K型快速響應(yīng)熱電偶在不同氣流流速下的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖10所示。按照式(3)時(shí)間常數(shù)計(jì)算方法,求得不同流速下熱電偶時(shí)間常數(shù)如表6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著氣流流速的增大,熱電偶的時(shí)間常數(shù)越小,這與理論推導(dǎo)、仿真計(jì)算所獲結(jié)論一致。
圖10 不同流速下熱電偶響應(yīng)曲線(xiàn)
氣流流速/(m/s) /sSA1-KCO1-K1940.2170.0242760.2010.018
本文以自反應(yīng)物質(zhì)熱分解產(chǎn)生大量氣體這一現(xiàn)象為基礎(chǔ),提出了一種基于高速爆燃?xì)饬鳑_擊場(chǎng)的溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定方法,通過(guò)仿真進(jìn)行了標(biāo)定影響因素分析,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的標(biāo)定裝置。該方法相對(duì)于基于激波管或熱風(fēng)洞的溫度傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法,具有溫度階躍幅度大,階躍斜率高,低成本、小型化等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以通過(guò)選擇不同材質(zhì)、厚度膜片模擬聲速范圍內(nèi)的沖擊氣流,實(shí)現(xiàn)幾十毫秒級(jí)時(shí)間常數(shù)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定,對(duì)流速在此范圍內(nèi)的高壓、強(qiáng)對(duì)流環(huán)境的高時(shí)間分辨率溫度測(cè)量傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定及選型提供有益參考[15]。
該標(biāo)定方法所獲溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性誤差受溫度傳感器響應(yīng)曲線(xiàn)的高保真記錄、時(shí)間常數(shù)的可靠計(jì)算、氣流流速及溫度階躍的高精度測(cè)量等因素影響。其中對(duì)于溫度傳感器響應(yīng)曲線(xiàn)的高保真記錄所引入的誤差,本文通過(guò)選用高速高分辨率采集卡及擴(kuò)大溫度階躍幅度克服;對(duì)于時(shí)間常數(shù)的可靠性計(jì)算,本文通過(guò)對(duì)響應(yīng)曲線(xiàn)取對(duì)數(shù),再通過(guò)線(xiàn)性擬合計(jì)算斜率獲取,避免了主流方法中由單點(diǎn)溫度瞬時(shí)值決定,易受噪聲影響的缺點(diǎn);對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件之溫度階躍的準(zhǔn)確測(cè)量,本文通過(guò)放置在壓力容器內(nèi)的高精度氣體溫度傳感器獲取。對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件之氣流流速的測(cè)量,本文通過(guò)理論計(jì)算獲取,其精度相對(duì)于通過(guò)動(dòng)壓傳感器直接測(cè)得而言存在一定距離,但已能指導(dǎo)上述所述應(yīng)用場(chǎng)合的傳感器動(dòng)態(tài)特性選型需求。若要對(duì)本方法所測(cè)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)、溯源等,可通過(guò)在測(cè)試管上增加兩個(gè)相距一定距離的動(dòng)壓傳感器,測(cè)量動(dòng)壓傳感器階躍時(shí)間差準(zhǔn)確計(jì)算流速。通過(guò)這一改進(jìn)并結(jié)合溫度傳感器時(shí)間常數(shù)與氣流流速負(fù)相關(guān)、與階躍溫度幅值正相關(guān)的結(jié)論,可實(shí)現(xiàn)通過(guò)中低流速、中低溫度狀態(tài)下實(shí)測(cè)結(jié)果及仿真模型,推算傳感器在高溫、高壓下的動(dòng)態(tài)特性,彌補(bǔ)任何一種溫度傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置所能提供的氣流流速及階躍溫度具有一定局限性缺陷,為后續(xù)研究極端工況的溫度傳感器選型、動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定及補(bǔ)償[16]提供可能。
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