溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性研究及測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)

李 建

（慧石（上海）測(cè)控科技有限公司，上海 201799）

0 引言

溫度傳感器在各行各業(yè)有著廣泛應(yīng)用，特別是在汽車行業(yè)，如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、排氣溫度、變速箱溫度、電池包溫度等都需要溫度傳感器作為監(jiān)控元件來進(jìn)行閉環(huán)控制。對(duì)于溫度傳感器，通常比較關(guān)注的是其測(cè)溫范圍和測(cè)溫精度。然而，在被測(cè)介質(zhì)溫度快速變化的環(huán)境下，溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)顯著影響傳感器的測(cè)溫精度，在開發(fā)過程中應(yīng)予以充分關(guān)注。

本文介紹了溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的概念、影響因素、測(cè)試方法及測(cè)試臺(tái)架的搭建，并以實(shí)例來說明溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性對(duì)測(cè)溫精度的影響及改進(jìn)措施。

1 溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性

一般溫度傳感器的性能參數(shù)主要包括允差、絕緣電阻、熱響應(yīng)時(shí)間、自熱參數(shù)等，其中熱響應(yīng)時(shí)間也就是溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性，它反映了溫度傳感器探測(cè)被測(cè)介質(zhì)溫度并輸出準(zhǔn)確信號(hào)的快慢程度。對(duì)于采用“接觸式”測(cè)量的溫度傳感器，其探頭部分必須置于被測(cè)介質(zhì)中并經(jīng)過一定時(shí)間與之達(dá)到熱平衡后，才能準(zhǔn)確反映出被測(cè)介質(zhì)的溫度。因此，溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性反映了溫度傳感器探頭與周圍被測(cè)介質(zhì)熱交換的快慢，同時(shí)也反映了溫度檢測(cè)延遲時(shí)間的長(zhǎng)短。文獻(xiàn)[1]指出，在動(dòng)態(tài)測(cè)溫中，熱響應(yīng)時(shí)間會(huì)使溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果中溫度波動(dòng)幅值小于被測(cè)物體的實(shí)際溫度波動(dòng)幅值，并且熱響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)得的波動(dòng)幅值越小。

《溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)》（JJF 1049—1995）規(guī)定了測(cè)量流體溫度的接觸式溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試方法。溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是指溫度傳感器的輸出溫度與被測(cè)介質(zhì)溫度階躍之間的響應(yīng)關(guān)系[2]。文獻(xiàn)[3]給出了溫度傳感器對(duì)被測(cè)介質(zhì)溫度階躍的計(jì)算公式：

式中：T0為t=0時(shí)被測(cè)介質(zhì)的溫度；Tf為被測(cè)介質(zhì)的階躍溫度；τ為時(shí)間常數(shù)。

圖1為溫度傳感器對(duì)溫度階躍的動(dòng)態(tài)特性曲線。

圖1 溫度傳感器對(duì)溫度階躍的動(dòng)態(tài)特性曲線

溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要包括熱響應(yīng)時(shí)間（Thermal Response Time）和時(shí)間常數(shù)（Time Constant）兩個(gè)參數(shù)。其中，熱響應(yīng)時(shí)間是指當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生階躍變化（ΔT）時(shí)，溫度傳感器的輸出f（t）變化到該被測(cè)階躍溫度的某個(gè)規(guī)定百分?jǐn)?shù)時(shí)（如10%、50%、90%等）所需要的時(shí)間，記作τx（τ0.1、τ0.5、τ0.9）。其中，時(shí)間常數(shù)是指溫度傳感器輸出變化到階躍溫度量的63.2%時(shí)的時(shí)間，用τ標(biāo)記[2]。

2 溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性影響因素及測(cè)試條件

溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性與敏感元件、封裝結(jié)構(gòu)、材料及工藝過程密切相關(guān)。文獻(xiàn)[4]指出，熱擴(kuò)散率越大的材料，其導(dǎo)熱性能越好，溫度計(jì)的傳熱響應(yīng)越好，傳熱從快到慢的順序依次為銅、鋁、陶瓷、鎳、鋼。結(jié)構(gòu)直徑越小，越有利于溫度計(jì)內(nèi)部的熱平衡，則溫度計(jì)的傳熱響應(yīng)越好。

同樣外形尺寸、輸出特性的溫度傳感器，廠家不同，它們的動(dòng)態(tài)特性也不相同。除此之外，溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性還與被測(cè)介質(zhì)特性、測(cè)試工況有關(guān)。也就是說，在對(duì)比溫度傳感器熱響應(yīng)時(shí)間時(shí)，一定要使用在同樣的介質(zhì)和測(cè)試工況下得到的結(jié)果。同一個(gè)溫度傳感器，在不同的應(yīng)用環(huán)境下，其熱響應(yīng)時(shí)間會(huì)有很大的差異。

溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試可以參考如下要求：

（1）《工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件》（GB/T 30121—2013、IEC 60751：2008，IDT）中6.5.2規(guī)定：應(yīng)記錄在流速大于0.2 m/s的水流中或流速為（3±0.3）m/s的氣流中的熱響應(yīng)時(shí)間τ0.5。若有要求，還可記錄熱響應(yīng)時(shí)間τ0.9和/或τ0.1[5]。

（2）《溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)》（JJF 1049—1995）分別規(guī)定了水流和氣流的測(cè)試條件。

在水流環(huán)境下：

1）水流必須被加熱到高于環(huán)境溫度。在30 min內(nèi)，水流溫度的穩(wěn)定度優(yōu)于溫度階躍量的±1.0%。

2）水流速度在被校溫度傳感器插入方向均勻度優(yōu)于10%，測(cè)量位置水流速度為（0.4±0.05）m/s。

3）水流流道寬度不小于被測(cè)傳感器直徑的10倍。

在氣流環(huán)境下：

對(duì)于高速氣流，要求在校準(zhǔn)截面上速度、溫度均勻，脈動(dòng)小。溫度＜1000℃時(shí)，溫度脈動(dòng)優(yōu)于±0.5℃，偏差優(yōu)于±10℃。試驗(yàn)氣流流速偏差控制在±1.7 m/s。校準(zhǔn)段的橫截面積不小于被測(cè)傳感器直徑面積的10倍[2]。

3 某型號(hào)溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試臺(tái)架實(shí)現(xiàn)

在研發(fā)汽車排氣系統(tǒng)用溫度傳感器的過程中，客戶提出熱響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)條件如下：

介質(zhì)：空氣；

氣體流速：11 m/s；

溫度階躍：300℃；

時(shí)間常數(shù)要求：＜13 s。

為了保證研發(fā)及批量生產(chǎn)階段對(duì)于溫度傳感器性能及質(zhì)量的要求，需要根據(jù)客戶要求，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，搭建專用測(cè)試臺(tái)，建立溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試能力。圖2為溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)原理圖。

圖2 溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)原理圖

設(shè)備由風(fēng)道溫控系統(tǒng)、快速切換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三個(gè)主要部分組成。

（1）風(fēng)道溫控系統(tǒng)：根據(jù)要求，設(shè)備需要模擬出一組能控制溫度和流速的風(fēng)道，風(fēng)量由風(fēng)機(jī)結(jié)合變頻器控制。風(fēng)道內(nèi)部的溫度由加熱控制器根據(jù)出口的溫度，改變加熱器功率，形成閉環(huán)控制。常溫溫度不進(jìn)行控制，只有吹風(fēng)冷卻功能，溫度允許在20～30℃任意浮動(dòng)。

（2）快速切換系統(tǒng)：快速切換系統(tǒng)包含三個(gè)熱風(fēng)管道，中間的一個(gè)管道配有夾具，可安裝測(cè)試樣品。測(cè)試時(shí)，產(chǎn)品先在常溫風(fēng)道中進(jìn)行吹風(fēng)冷卻。待傳感器輸出溫度穩(wěn)定后，切換系統(tǒng)快速切換位置，使風(fēng)道內(nèi)熱風(fēng)流過產(chǎn)品，測(cè)試溫度產(chǎn)生階躍變化?？焖偾袚Q系統(tǒng)連接的管道設(shè)計(jì)一小段可伸縮的軟管，方便切換時(shí)密封，防止漏氣影響溫度。

（3）控制系統(tǒng)：由上位機(jī)和PLC組成，計(jì)算機(jī)結(jié)合采集板卡和調(diào)理電路，可分別與PLC通信，并采集溫度流量信號(hào)和被測(cè)傳感器溫度變化信號(hào)，繪制出曲線，計(jì)算出響應(yīng)時(shí)間。PLC進(jìn)行過程控制，穩(wěn)定所需的溫度和風(fēng)速，所有電磁閥、變頻器、加熱器控制器均由其控制。

溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試臺(tái)實(shí)物如圖3所示。

圖3 溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試臺(tái)實(shí)物

4 溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試及改進(jìn)實(shí)例

通常溫度傳感器的輸出信號(hào)會(huì)作為輸入信號(hào)傳遞給控制模塊，以監(jiān)測(cè)被測(cè)介質(zhì)溫度，并按照預(yù)先設(shè)定的控制邏輯做出進(jìn)一步的反饋。例如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)中，需要用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SCR系統(tǒng)的排氣溫度。當(dāng)排氣溫度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)尿素噴射以中和尾氣中的氮氧化物。然而，由于熱響應(yīng)時(shí)間的存在，當(dāng)介質(zhì)溫度快速變化時(shí)，溫度傳感器輸入給系統(tǒng)的信號(hào)會(huì)滯后于被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度，因此系統(tǒng)中所設(shè)定的排氣溫度閾值會(huì)低于目標(biāo)值，從而保證系統(tǒng)正常工作。

在開發(fā)排氣溫度傳感器過程中，客戶會(huì)將我司生產(chǎn)的被測(cè)件（以下簡(jiǎn)稱“被測(cè)件”）與標(biāo)準(zhǔn)件在發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)臺(tái)架上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)試包括靜態(tài)對(duì)比測(cè)試（即在排氣溫度緩慢變化情況下，對(duì)比被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的輸出信號(hào)差異）和動(dòng)態(tài)對(duì)比測(cè)試（即在排氣溫度快速變化情況下，對(duì)比被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的輸出信號(hào)差異）。圖4為臺(tái)架的靜態(tài)對(duì)比測(cè)試結(jié)果，圖5為臺(tái)架的動(dòng)態(tài)對(duì)比測(cè)試結(jié)果，圖6為臺(tái)架動(dòng)態(tài)特性對(duì)比測(cè)試的溫度差異值。

圖4 溫度傳感器臺(tái)架靜態(tài)測(cè)試輸出曲線對(duì)比

圖5 溫度傳感器臺(tái)架動(dòng)態(tài)測(cè)試輸出曲線對(duì)比

圖6 臺(tái)架動(dòng)態(tài)測(cè)試的溫度差異

從對(duì)比測(cè)試結(jié)果中可以看出，在靜態(tài)對(duì)比測(cè)試中，隨著排氣溫度的緩慢變化，被測(cè)件輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)件輸出信號(hào)之間能夠保持一致，說明被測(cè)傳感器靜態(tài)下的精度能夠滿足要求；但是在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，隨著排氣溫度的快速變化，被測(cè)件輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)件輸出信號(hào)之間存在差異，最大輸出溫度差異會(huì)達(dá)到10℃左右，無法滿足使用要求。

隨后，在我司開發(fā)的溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試臺(tái)上，將被測(cè)件及標(biāo)準(zhǔn)件的熱響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試介質(zhì)為空氣，測(cè)試參數(shù)均設(shè)置為氣體流速11 m/s，溫度階躍300℃。

經(jīng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的熱響應(yīng)時(shí)間參數(shù)存在明顯差異。如圖7和圖8所示，標(biāo)準(zhǔn)件的時(shí)間常數(shù)為9.36 s，我司的被測(cè)件為12.35 s。因此需要改進(jìn)被測(cè)件的熱響應(yīng)時(shí)間性能，以滿足使用要求。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)件熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

圖8 被測(cè)件熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

經(jīng)分析論證，從以下幾個(gè)方面對(duì)溫度傳感器進(jìn)行了改進(jìn)：

（1）優(yōu)化探頭部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小熱傳導(dǎo)路徑；

（2）改進(jìn)導(dǎo)熱膠填充工藝，提高填充密實(shí)度；

（3）采用高導(dǎo)熱系數(shù)材料。

如圖9所示，改進(jìn)后的溫度傳感器熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果為8.66 s，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)件。改進(jìn)后的溫度傳感器也順利通過了客戶后處理臺(tái)架對(duì)比測(cè)試。

圖9 改進(jìn)后被測(cè)件熱響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

采用接觸式測(cè)溫的溫度傳感器，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度快速變化時(shí)，溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性（即溫度傳感器的熱響應(yīng)時(shí)間）會(huì)顯著影響傳感器的測(cè)溫精度。溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性既與敏感元件、封裝結(jié)構(gòu)、材料及工藝過程有關(guān)，也與測(cè)試介質(zhì)及測(cè)試參數(shù)條件密切相關(guān)。在產(chǎn)品開發(fā)中，應(yīng)當(dāng)建立符合測(cè)量環(huán)境要求的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試能力，以滿足設(shè)計(jì)要求。