影響Pt100溫度傳感器熱響應(yīng)時(shí)間的因素

蔣鵬，張萍

（寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315000）

影響Pt100溫度傳感器熱響應(yīng)時(shí)間的因素

蔣鵬，張萍

（寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，軌道車輛安全可靠性受到了人們的高度關(guān)注。Pt100溫度傳感器是車輛監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性和可靠性。針對(duì)影響熱響應(yīng)時(shí)間的幾個(gè)因素展開分析，希望能為相關(guān)人員日后工作的順利進(jìn)行提供參考。影響熱響應(yīng)時(shí)間的因素包括，核心元件的影響，即Pt100自身封裝結(jié)構(gòu)及其性能；材料介質(zhì)影響，即傳感器內(nèi)部灌封材料的影響；機(jī)械結(jié)構(gòu)影響，即傳感器殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)；測量方法影響，即測試方法對(duì)熱響應(yīng)參數(shù)的影響。

溫度傳感器；熱響應(yīng)時(shí)間；機(jī)械結(jié)構(gòu)；測量方法

1 背景闡述

溫度傳感器內(nèi)部敏感元件采用精度較高的Pt100，其測試范圍廣、穩(wěn)定性好、測量精度高，常用于測試－50～＋250℃的溫度介質(zhì)。隨著軌道車輛監(jiān)測系統(tǒng)的要求越來越高，對(duì)溫度傳感器的要求也越來越高。其中，熱響應(yīng)時(shí)間對(duì)于溫度傳感器是非常關(guān)鍵的參數(shù)，它直接影響車輛檢測系統(tǒng)對(duì)安全信息的判斷。本文主要結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，對(duì)影響熱響應(yīng)時(shí)間參數(shù)展開分析。

2 軌道車輛鉑電阻溫度傳感器基本結(jié)構(gòu)

軌道車輛Pt100溫度傳感器主要是由探頭體端和電氣連接部分組成的，而影響熱響應(yīng)時(shí)間的主要是探頭體端結(jié)構(gòu)。探頭體端一般由結(jié)構(gòu)件、敏感元件和灌封材料等組成。

結(jié)構(gòu)件，是指作為產(chǎn)品總裝的探頭體；敏感元件，是指將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化的Pt100；灌封材料，是指用于填充探頭體內(nèi)部的材料，同時(shí)，它具有導(dǎo)熱絕緣、密封的作用。

3 溫度傳感器的測量模型

簡化的軌道交通溫度傳感器鉑電阻模型[1]如圖1所示。

假設(shè)測量介質(zhì)溫度為T0，鉑電阻敏感元件溫度為T2，敏感元件與保護(hù)層接觸熱阻為R2，熱容為C2，保護(hù)層溫度為T1，與外界的換熱熱阻為R1，熱容為C1，則保護(hù)層內(nèi)溫度變化應(yīng)滿足式（1），即：

鉑電阻敏感元件溫度變化規(guī)律為：

由此可得溫度傳感器的測量方程為：

根據(jù)以上公式可以得出，固有頻率越大，溫度變化響應(yīng)越快；阻尼比值大于1，說明溫度傳感器響應(yīng)為過阻尼。要想提高響應(yīng)，應(yīng)盡量減少中間保護(hù)層。

4 熱響應(yīng)時(shí)間因素分析

軌道車輛溫度傳感器中的鉑電阻具有一定的體積和比熱容，其與被測介質(zhì)之間達(dá)到熱平衡需要一定的時(shí)間，這就導(dǎo)致溫度傳感器響應(yīng)滯后于溫度變化。

軌道車輛熱響應(yīng)時(shí)間定義為：當(dāng)溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，且階躍值不大于10℃，Pt100溫度傳感器電阻變化至90%的時(shí)間[2]。

4.1 核心元件的影響

4.1.1 元件自熱

在使用Pt100溫度傳感器的過程中有電流流過，電流會(huì)使敏感元件自身加熱，產(chǎn)品自熱。當(dāng)Pt100溫度傳感器感受低溫介質(zhì)時(shí)，先要消除自身的熱量，然后才能冷至介質(zhì)溫度，這個(gè)過程需要耗費(fèi)一定的時(shí)間。

常規(guī)Pt100測試電流為1 mA，1 mA測試電流會(huì)使溫度升高約0.05℃，產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)間非常小，可以忽略不計(jì)。同時(shí)，自熱溫升還與封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)。Pt100溫度傳感器回路電流一般在幾毫安，實(shí)際使用時(shí)推薦1 mA。

4.1.2 元件熱滯后

敏感元件不能在介質(zhì)溫度變化時(shí)立即響應(yīng)介質(zhì)溫度，時(shí)間上會(huì)產(chǎn)生滯后，這種滯后也會(huì)影響熱響應(yīng)時(shí)間。

4.1.3 元件結(jié)構(gòu)影響分析

Pt100鉑電阻結(jié)構(gòu)封裝結(jié)構(gòu)分為裸裝和鎧裝2種類型。在裸裝溫度傳感器中，敏感元件直接與被測介質(zhì)接觸，導(dǎo)熱系數(shù)可假設(shè)為無限大。由于測量環(huán)境不同，為了避免或減少被測介質(zhì)被腐蝕，減少機(jī)械損傷，固定敏感元件，在敏感元件外層增加一層保護(hù)套，這種結(jié)構(gòu)形式被稱為鎧裝。鎧裝溫度傳感器外部保護(hù)套材料、壁厚、直徑要根據(jù)測試介質(zhì)壓力和腐蝕性選擇，保護(hù)套帶來的熱容和熱阻不可忽略，所以，導(dǎo)熱系數(shù)小于裸裝結(jié)構(gòu)。

鉑電阻根據(jù)引出導(dǎo)線規(guī)格分為兩線制、三線制和四線制，下面分別介紹這3種規(guī)格的鉑電阻溫度傳感器。

兩線制鉑電阻溫度傳感器輸出電阻值為敏感元件電阻值和連接導(dǎo)線電阻之和，導(dǎo)線電阻會(huì)帶來附加阻值，導(dǎo)致測量精度不高，常用于測量精度不高的場合。

三線制鉑電阻溫度傳感器敏感元件引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同。三線制會(huì)減少導(dǎo)線電阻帶來的附加電阻值，但不能完全消除。

四線制引出線中的2根導(dǎo)線用于輸入恒定電流，另外2根導(dǎo)線用于測試阻值輸出。當(dāng)用于測試元件阻抗足夠高時(shí)，電流幾乎不流過回路，這樣可精確測量阻值。

4.1.4 測量引線

鉑電阻與外接電纜連接是通過測量引線過渡。在選擇測量引線時(shí)，先要滿足使用溫度，其次要保證電流容量和強(qiáng)度的要求。在滿足這些條件的情況下，應(yīng)盡可能選用截面積較小的引線，以減少引線熱傳導(dǎo)。

4.2 材料介質(zhì)影響分析

4.2.1 元件自身填充材料影響

考慮到車輛沖擊振動(dòng)的影響，在鉑電阻鎧裝過程中加入填充材料，避免敏感元件因抖動(dòng)而造成引腳斷裂。在滿足絕緣的情況下，要選擇熱容小、易灌封材質(zhì)、熱導(dǎo)率高的材料。目前，國內(nèi)常用的敏感元件與引線還需中間環(huán)節(jié)連接，填充材料一般選擇耐高溫絕緣不導(dǎo)電介質(zhì)。如果采用Pt100鉑電阻和引線一體式結(jié)構(gòu)，可節(jié)省中間環(huán)節(jié)連接；填充材料可選擇氧化鋁和氧化鎂，這2種材料顆粒細(xì)、熱容小、易于灌封。

4.2.2 導(dǎo)熱介質(zhì)影響分析

軌道車輛Pt100鉑電阻溫度傳感器導(dǎo)熱介質(zhì)常選用較高溫度系數(shù)的導(dǎo)熱膠，該膠的膨脹系數(shù)要小、硬度要小，同時(shí)，灌封工藝對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

灌封膠在溫度傳感器中要起到固定電纜的作用。為了防止因振動(dòng)沖擊引起的損傷，應(yīng)選擇硬度較大的灌封膠。

4.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)影響分析

在設(shè)計(jì)過程中，要科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，以滿足產(chǎn)品總裝和安裝要求，同時(shí)，還要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間的影響。

4.4 測量方法影響分析

溫度傳感器熱響應(yīng)時(shí)間測試方法對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本測試系統(tǒng)由恒溫水槽、數(shù)字萬用表、LabVIEW和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻組成。

試驗(yàn)方法是：將傳感器感溫部分放入水流式熱響應(yīng)裝置中，水流速應(yīng)保持在（0.4±0.05）m/s，初始溫度在5～35℃的范圍內(nèi)，溫度階躍值不大于10℃。記錄傳感器電阻變化至90%的熱響應(yīng)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)為同一試驗(yàn)至少3次測試結(jié)果的平均值，每次測試結(jié)果對(duì)于平均值的偏離應(yīng)在±10%以內(nèi)。

分析測試數(shù)據(jù)可知，出現(xiàn)誤差的原因主要有2點(diǎn)，一方面是人為因素，在沒有輔助設(shè)備配合的情況下，放入介質(zhì)的起始時(shí)間無法確定；另一方面為設(shè)備帶來的誤差，數(shù)據(jù)采集有一定的滯后性。

5 結(jié)論

本文主要研究影響熱響應(yīng)時(shí)間的因素，先根據(jù)測量環(huán)境要求選擇合適的鉑電阻封裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸和導(dǎo)熱介質(zhì)，最后選擇合適測量方法進(jìn)行測量。經(jīng)過綜合分析，認(rèn)真研究4個(gè)影響因素，從而為開發(fā)更快熱響應(yīng)時(shí)間溫度傳感器提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

［1］劉家恕，李強(qiáng)，傅濤，等.測量溫度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（8）：7-9.

［2］機(jī)械工業(yè)部上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所，中國儀器儀表協(xié)會(huì)自動(dòng)化儀表分會(huì)溫度測量儀表專業(yè)協(xié)會(huì)，上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院，等.JB/T 8622—1997工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表［S］.北京：機(jī)械行業(yè)出版社，1997.

O551.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.049

2095－6835（2018）02－0049－02

蔣鵬（1988—），男，山東煙臺(tái)人，工程師，主要從事溫度傳感器方面的研究。張萍（1988—），女，浙江寧波人，工程師。

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