熱電偶動態響應測試系統

劉宗瑞，咸婉婷，劉志遠

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

對大型船舶發動機中各裝配件狀態監測直接影響到發動機的性能與正常運轉，其中對運轉齒輪咬合接觸面溫度就是非常重要的一個指標［1］。常用的測溫傳感器有熱電偶和熱敏電阻器，其中，熱電偶具有響應時間快、測溫范圍寬、上限高等特點［2］。測量齒輪咬合面的溫度最重要的就是傳感器的小型化和快速的響應能力，因為在工作齒輪間留給溫度傳感器安裝的空間已經非常小，而且高速運轉的齒輪，2個齒咬合時間一般不超過幾十毫秒，如果沒有足夠的響應速度，根本無法準確反映真實齒面溫度。所以，需選用小型化且響應時間快的溫度傳感器來對目標進行測量［3］。

目前，對于溫度傳感器靜態特性的測試較為多見，如測量精度與測量范圍［4］。而對其動態響應特性的測試則不是很多，主要是一些高校從理論角度的一些推導［5］，對于實際測量只能提供理論依據，國外對于溫度傳感器動態響應測量比較主流的方法是利用激光激勵溫度傳感器產生階躍信號，得到相應溫度曲線再進行計算［6］。該方法成本高且設備操作復雜。

本文以熱電偶作為對象，設計了測量其動態響應測試系統，實現了準確、可靠的動態響應測試。

1 測試系統設計

動態響應特性是傳感器隨時間變化的輸入量的響應特性，表征了測量溫度對實際溫度跟蹤的緊密程度，主要參數為動態響應時間。在進行動態響應測試時，選用階躍信號，將熱電偶的動態特性看成一階慣性環節，溫度傳感器則作為一階線性測量器件［7］，其工作狀態用微分方程表示為

式中 τ為溫度傳感器的時間常數，可通過實驗測定，Ti為待測溫度隨時間的變化規律，T為溫度傳感器所指示的溫度函數，也就是記錄儀器得到的實驗結果。如τ過大，顯然T≠Ti存在動態誤差。

溫度傳感器的響應曲線如圖1所示，動態響應測試點設定在全量程的63.2%處，其中，X為溫度傳感器動態響應時間［7］。

圖1 溫度傳感器響應曲線Fig 1 Response curve of temperature sensor

1.1 測試系統電氣設計

對接觸式溫度傳感器的動態響應時間進行測試，其整個測試系統包括一套機械裝置、熱電偶、控制系統、接口電路及應用LabVIEW平臺編制的配套軟件。其中，控制系統則包括自帶控制器的cRIO NI—9074及其配套數據采集卡NI—9223、數字 I/O 卡 NI—9403。

通過數字I/O卡控制電磁閥來控制系統機械裝置，使其觸發，數據采集卡實時對溫度傳感器的輸出進行采集，采集到的測試數據經過應用軟件計算得出時間常數并顯示和儲存。測試系統的結構如圖2所示［8］。

圖2 動態響應測試系統結構示意圖Fig 2 Structure diagram of dynamic response detecting system

1.2 測試系統機械裝置

測試系統機械裝置如圖3所示，由固定支架、窄帶光電開關和擋光片、電磁閥控制銷、活動平臺及連桿、彈簧等部分組成。

活動平臺用于固定溫度傳感器和簡單的測量電路，由連桿負責帶動傳感器快速投入水中。銷子由電磁閥控制，通電吸合，斷電釋放。頂端軟絲可調，調整彈簧松緊度。窄帶光電開關用于測量傳感器入水速度，當擋光片切割光電開關時，產生2個脈沖，根據脈沖時間間隔可計算得到入水速度。

初始狀態時，銷子插入連桿側面楔口，固定連桿，壓緊彈簧。測試開始時，由計算機啟動脈沖，電磁閥通電吸合，銷子被吸出，活動連桿在自身重力和彈簧彈力的作用下，帶動平臺上的溫度傳感器一起向下運動，使得溫度傳感器可以迅速插入水中。

1.3 測試系統軟件設計

使用LabVIEW編程語言在Windows XP環境下構建測試系統的軟件平臺。

軟件界面提供參數設置和啟動及停止按鍵，通過配置數據采集卡和數字I/O卡，實現電磁閥的控制，并控制數據采集卡進行數據采集。最后，軟件對采集數據分析處理，實現顯示、存儲等功能。軟件原理框圖如圖4所示，分為數據采集子程序和繼電器控制子程序2個部分，分別實現傳感器輸出信號測量和機械裝置控制［9］。

圖3 動態響應測試系統機械裝置示意圖Fig 3 Schematic diagram of mechanical device of dynamic response detecting system

圖4 軟件原理框圖Fig 4 Principle block diagram of software

其中，動態響應時間計算部分的程序如圖5所示。

圖5 動態響應時間計算程序Fig 5 Program of dynamic response time calculating

2 系統測量誤差分析

2.1 液面上方溫場的影響

傳感器在落入水中之前有一段行程，該行程內空氣與恒溫水有對流換熱過程。因此，溫度傳感器在入水時的溫度值不是常溫，必然受到液面上方溫場的影響。

傳感器的瞬態能量平衡方程

式中Tg和Tj分別為介質和傳感器瞬態溫度，h為氣體與傳感器之間的表面傳熱系數，ρ，V，CP，A分別為溫度傳感器的密度、體積、比熱和表面積，t為時間。

根據上式，ρ，V，CP，A與傳感器有關，當傳感器固定，可以認為這4個參量為常數。Tj為傳感器瞬態溫度，是液面上方溫場與傳感器進行熱量交換后傳感器入水臨界狀態的溫度值。Tg為液面上方溫度，該溫度為氣體距液面高度的函數，即溫場分布函數。表面傳熱系數h與介質及溫場分布有關，在測試環境中，可以認為介質系數為常數，即表面傳熱系數只與溫場分布有關［10］。

在實際測試過程中，溫場分布由標準溫度計進行標定。對流換熱現象較為復雜，要降低其影響主要采用以下2種方法:

1）減少運行時間:假設水面上方行程很小，傳感器在空氣溫場中運動時間很短，此時即使傳感器吸熱，溫度升高，溫度升高值與恒溫槽中液體溫度值相差不少于20℃，依然可以視為階躍溫度。傳感器入水前下落產生的溫升可忽略。

2）降低溫場的影響:在恒溫水槽敞開式的環境中，如果無法滿足傳感器在空氣溫場中運行時間短的條件，空氣溫場對傳感器影響較大，無法形成階躍溫升，傳感器的動態響應效果不明顯，需要改進方法?？煽紤]在恒溫液面上方加一層隔熱膜，隔絕液面和空氣，隔熱膜上方溫度基本為常溫。這樣即降低了溫場的影響，也縮短了傳感器的行程。

2.2 入水過程的影響

從傳感器接觸水面至完全沒入水中，傳感器已經開始與水進行熱量交換，即響應曲線的起點。如果傳感器入水時間t很短，小于待測時間常數的10%，則可以忽略這段時間的影響，時間常數起點定為傳感器完全沒入水中那一時刻。

測試中傳感器完全沒入水中時間越短，溫度階躍越明顯，因此，要求傳感器入水具有一定速度。設傳感器直徑0.2 mm，時間常數10 ms，則入水時間應小于1 ms，入水速度應至少為5 m/s。因此，需要用光電測試平臺對傳感器入水速度進行標定。

2.3 熱容量影響

所用的恒溫水槽具有足夠大的熱容量，這樣溫度傳感器放入后不致破壞原來的恒溫條件。要求試驗前后，溫度變化小于0.1℃。

在恒容條件下，根據能量守恒定理，傳感器入水的吸收的熱量應該等于恒溫水槽釋放的熱量。由熱容計算公式

其中，ms和mw分別為傳感器和水的質量;cS和cw分別為傳感器和水的比熱容;ΔTs和ΔTw分別為傳感器和水在熱量交換穩定后溫度變化量［10］。

由于傳感器型號不同、護管材料不同，比熱容不同，需要根據測試具體檢定。

采用K型熱電偶，其上限比熱容約為900 J/（kg·K），護管為橡膠，上限比熱容約為1 800 J（kg·K），熱電偶與護管質量比為1∶2，總質量約為5g，傳感器溫度變化范圍為由20～80℃，恒溫水槽中水的體積為15 L，則傳感器比熱容為

因傳感器投入而水溫下降的幅度為（單位為℃）

由式（5）可得，裝置受到熱容量變化影響所引起的溫降可以忽略不計。

3 試驗

選用偶絲直徑為Φ0.08 mm的相同批次K型熱電偶2支、偶絲直徑為Φ0.02mm的相同批次K型熱電偶2支作為試驗對象，試驗分為6個步驟進行:

1）將1只溫度傳感器裝入測試裝置，并置于室溫（20±5）℃環境中，在此環境下持續20 min以待溫度傳感器溫度穩定;

2）設置恒溫水槽的溫度（不低于80℃），待其穩定約30 min;

3）將試驗參數輸入至軟件對應位置，包括室溫測量值、水溫測量值，并設置采樣率（不小于10 kHz）;

4）啟動操作按鈕，此時機械裝置將溫度傳感器迅速投入恒溫水槽預留的投射區內，同時測試系統開始采集數據，實時記錄波形;

5）測試結束后，將溫度傳感器從水中提出，恢復到初始狀態;

6）存儲波形并記錄界面顯示的動態響應時間。

按照以上步驟進行實際測試，水溫設定為80℃，采樣率設置為500 kHz，得到的溫度傳感器動態響應試驗結果曲線如圖6～圖7所示。

圖6 熱電偶動態響應試驗曲線Fig 6 Curve of thermocouple dynamic response experiment

將熱電偶按同一種類分別進行3次試驗，根據試驗溫度曲線和數據得到動態響應時間結果如表1、表2。

表1 熱電偶動態響應試驗數據Tab 1 Experimental datas of thermocouple dynamic response

試驗結果表明:熱電偶的動態響應時間可達到ms級，在2種熱電偶中，偶絲直徑為Φ0.02 mm的K型熱電偶動態性能優于偶絲直徑為Φ0.08 mm的K型熱電偶。測試系統軟硬件均可正常運行并能夠準確控制機械裝置動作，系統可實現ms級測試，符合對熱電偶動態響應特性的測試要求。

4 結論

本文對接觸式溫度傳感器熱電偶的動態響應測試技術進行了研究并設計了測試系統，實現了對熱電偶動態響應特性的測試，利用cRIO硬件平臺與LabVIEW軟件平臺實現整個測試過程的控制和測試數據的采集，并對引起系統測量誤差的主要因素進行了分析，結合理論模型給出了計算公式與補償方案。系統試驗結果表明:本文所設計的動態響應測試系統可實現ms級測試，可滿足對響應時間較快的熱電偶動態響應特性的測試需要。

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