微細(xì)熱電偶的制作與時間常數(shù)標(biāo)定

摘要:在瞬態(tài)溫度測量中,為了得到的測量結(jié)果,要求熱電偶具有良好的快速響應(yīng)特性,其時間常數(shù)越小越好。借助于數(shù)字顯微放大鏡觀察,以微細(xì)銅絲和康銅絲(φ0.05mm)焊接制備了快速響應(yīng)熱電偶;為了對時間常數(shù)標(biāo)定,采用單片機控制電子開關(guān)閉合讓激光器立即工作產(chǎn)生瞬時溫度階躍，建立了測定熱電偶動態(tài)特性的實驗系統(tǒng),并用該系統(tǒng)測定了Cu/CuNi快速響應(yīng)熱電偶的時間常數(shù)。結(jié)果表明,制備的微細(xì)熱電偶響應(yīng)時間達到(118.8+1.64)ms;利用該系統(tǒng)對時間常數(shù)進行標(biāo)定,結(jié)果可靠、設(shè)備簡單、費用低廉,實用性較好。
1引言
　　熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)簡單.價格便宜、測量范圍廣,被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。針對普通熱電偶,為提高測溫精度已進行了廣泛研究",開發(fā)了基于K型熱電偶專用信號處理集成芯片MAX6675的測溫系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和設(shè)計成本。但普通熱電偶響應(yīng)時間一般都在2s以上3],難以滿足特定工況下對瞬態(tài)溫度的要求,例如在研究高速列車快速通過鋼軌時,測量輪軌接觸區(qū)域溫度的熱電偶要求響應(yīng)時間要小于2ms;研究內(nèi)燃機在全負(fù)荷狀態(tài)下工作時燃燒室內(nèi)壁的瞬態(tài)溫度時,要求熱電偶響應(yīng)時間應(yīng)在1~2ms[4];研究均勻液滴噴射飛行過程中溫度的變化時,冷卻速率達-3.76℃/mm。在瞬態(tài)溫度測量過程中,由于普通熱電偶響應(yīng)時間長,熱慣性大,測量溫度比真實溫度時間滯后,這無法滿足快速的反映真實溫度的要求。因此制備快速響應(yīng)熱電偶及其時間常數(shù)的確定對保證瞬態(tài)溫度的測量有重要意義。
　　關(guān)于瞬態(tài)溫度,許多學(xué)者利用薄膜熱電偶來測試。采用0.5~1.0μm的多點薄膜熱電偶(TFTC)在磨削工作表面陣列分布以測量和研究金剛石砂輪與花崗石摩擦界面能量傳輸特征。通過在摩擦接觸表面布置一系列薄膜熱電偶(厚35μm)來測得表面溫度,其具有較小的熱慣性、較高的靈敏度、測試數(shù)據(jù)較為正確。但薄膜熱電偶現(xiàn)在技術(shù)還不夠完善，結(jié)點面積較大(>4mm2),而摩擦過程中，微凸體接觸時的半徑只有幾到幾十微米,這意味著薄膜熱電偶反映的只是薄膜本身的溫度平均值,即局部區(qū)域的平均溫度,而不是閃點溫度。所以采用薄膜熱電偶測得的最大溫度值并不可靠。
　　在確定熱電偶時間常數(shù)時,大都采用實驗方法測定,而不用理論方法計算。最常用的實驗測定方法是溫度階躍法[8],即給熱電偶輸人階躍信號并對其進行動態(tài)校準(zhǔn)實驗,從輸出的階躍信號響應(yīng)曲線上直接得到時間常數(shù)。實驗方法主要有:投人法、熱風(fēng)洞法、電加熱法、激波管法、激光調(diào)制法等。這幾種方法各有其優(yōu)缺點，如投入法由于人手反應(yīng)慢,對具有較小時間常數(shù)的熱電偶測量時不適用;熱風(fēng)洞法1011設(shè)備復(fù)雜、使用費用昂貴、輸人信號并不是理想的階躍信號,對小慣性熱電偶進行校準(zhǔn)時,會產(chǎn)生較大的誤差;電加熱法也同樣具有上述問題;激波管法[14]在產(chǎn)生溫度階躍后保持的時間短,不能使熱電偶輸出響應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)，故也無法得到可靠的時間常數(shù)值;激光調(diào)制法['5]由于其.性能優(yōu)良,對毫秒及亞毫秒量級熱電偶時間常數(shù)的測量結(jié)果好,不足的是整套設(shè)備復(fù)雜、昂貴,不便于廣泛使用。目前制約用實驗方法測定毫秒級及以下量級熱電偶時間常數(shù)的最主要因素是如何獲得理想的階躍溫度。
　　以微細(xì)銅/康銅絲制備快速響應(yīng)熱電偶,在自然環(huán)境中用波長為650nm的普通小功率紅光激光器作為加熱熱源,提供階躍溫度,獲得了較理想的正、負(fù)階躍溫度,測定了毫秒級熱電偶時間常數(shù)。
2測量原理
　　熱電偶的動態(tài)特性問題的分析模型,通常是在忽略熱電偶內(nèi)部溫度分布、自身導(dǎo)熱和與環(huán)境輻射換熱的假設(shè)條件下,按一階常微分方程來處理。在達到穩(wěn)態(tài)時，微分方程如下:
 
　　式中:τ為熱電偶的時間常數(shù),T、Tg分別為熱電偶與被測介質(zhì)的溫度,ρ、cp、V、A分別為熱電偶密度、定壓比熱容、熱電偶熱接點的體積和表面積,h為熱電偶與周圍被測介質(zhì)間的對流換熱系數(shù),1為時間。
　　時間常數(shù)由下列因素決定:1)熱電偶的幾何參數(shù)V.A;2)熱電偶的物性參數(shù)ρ、cp;3)熱電偶與被測介質(zhì)間的對流換熱系數(shù)h。所以,熱電偶時間常數(shù)既與自身特性有關(guān),也與被測對象特性有關(guān)。
由式(3)得熱電偶的階躍響應(yīng):
 
　　式中:T為熱電偶指示溫度,T0為初始溫度,T。為溫度階躍后的終值,Υ為時間常數(shù),τ為熱電偶對溫度階躍信號的響應(yīng)時間。當(dāng)t=Υ時,式(4)變?yōu)?
 
(5)可以看出,熱電偶指示溫度T與初始溫度T。的差值(T-T0)達到溫度階躍量(Te-T0)的0.632倍時所需的時間就是時間常數(shù)τ。此即為時間常數(shù)的通常定義,同時也說明了用實驗測量熱電偶時間常數(shù)的方法:給熱電偶結(jié)頭加熱的熱源需要瞬時加熱和冷卻,使熱電偶結(jié)頭處產(chǎn)生瞬時溫度階躍變化,繪制出其響應(yīng)曲線,通過作圖直接讀出0.632(Te-T0)與T。所對應(yīng)的測試時間差即為熱電偶時間常數(shù)τ。圖1所示為在前述假設(shè)的--階系統(tǒng)條件下,熱電偶對階躍溫度的響應(yīng)曲線,可以看出只要在響應(yīng)曲線上得到T0、Te、0.632(Te-T0),那么時間常數(shù)τ可直接得到。
 
3實驗方法
3.1熱電偶的制作
　　熱電偶的時間常數(shù)與自身幾何參數(shù)間有很大關(guān)系,其熱接點越小、熱慣性就越小、響應(yīng)速度越快、反應(yīng)也越靈敏。實驗中所用的熱電偶由直徑為0.05mm的微細(xì)銅/康銅絲制成(圖2)。首先將兩種偶絲絞接，并擰成麻花狀，完成后用剪刀將端部裁剪齊整，鉸接段越短越好;然后采用可控脈沖放電裝置進行焊接，焊接時擰制處將形成熱接點;最后將焊接點置于數(shù)字顯微放大鏡下，通過計算機屏幕，從多角度觀察焊接點是否牢固、光滑、形狀是否滿足要求，否則重復(fù)上述過程，直到滿足要求。焊接時應(yīng)盡量使熱電偶焊接點呈微小的光滑圓球狀,并且越小越好。由于焊接效果的好壞直接關(guān)系到熱電偶的質(zhì)量和可靠性，所以在熱電偶的整個制作過程中，一定要細(xì)心和耐心。
 
3.2標(biāo)定方法
　　要想測量毫秒量級或微秒量級熱電偶的時間常數(shù)，要求加熱(或冷卻)產(chǎn)生的瞬時溫度階躍上升(或下降)時間遠小于熱電偶的時間常數(shù),這樣才能使測量的結(jié)果具有較高的正確性和可靠性。熱電偶時間常數(shù)測試系統(tǒng)如圖3所示。由于激光具有能量高、傳速快方向性強等特性，故加熱熱源采用一-波長為650nm的普通紅光激光器，功率為1W。功率場效應(yīng)管的響應(yīng)速度可達到5μs,因此采用功率場效應(yīng)管作為電子開關(guān)控制激光器的通斷電速度。丹麥B&K公司的高速數(shù)據(jù)采集器3560C集濾波與放大功能于一身20，自帶的7700平臺軟件，可直接用于熱電偶測溫,不用再單獨設(shè)計放大電路和濾波電路，因此可快速采集到實驗的熱電勢值，其采樣頻率最大可達到25.6kHz,完全能夠反映并采集熱電偶對階躍溫度的響應(yīng)情況，故在測量過程中使用高速數(shù)據(jù)采集器記錄響應(yīng)信號。工作過程是:在實驗開始前，首先將已靜態(tài)標(biāo)定好的自制熱電偶置于穩(wěn)定的室溫氣流中，對激光調(diào)焦，使其焦點恰好對準(zhǔn)熱電偶測量端并固定，然后將熱電偶另一端置于冰水浴中作為參考端。先后開啟高速數(shù)據(jù)采集器和單片機電源，通過高速數(shù)采記錄熱電偶在升降溫過程對階躍溫度的響應(yīng)信號，在計算機上處理數(shù)據(jù)獲得熱電偶對階躍溫度的響應(yīng)曲線，進而得到其時間常數(shù)。
 
　　電子開關(guān)的設(shè)計原理是:利用單片機控制輸出高電平時,電子開關(guān)斷開，激光器不工作;輸出為低電平時,電子開關(guān)閉合，激光器立即工作。為記錄熱電偶在產(chǎn)生階躍溫度前的初始溫度信號，單片機在輸出低電平之前，持續(xù)輸出一段高電平。因此在單片機開始工作之前先開啟高速數(shù)據(jù)采集器記錄初始溫度信號，然后開啟單片機控制電子開關(guān)閉合讓激光器立即工作，高速數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集熱電偶從初始溫度開始到產(chǎn)生階躍溫度后整個過程的響應(yīng)信號121。此外，在溫度階躍量的設(shè)置以及階躍溫度響應(yīng)終止點的選取上還應(yīng)注意,因為二者大小的確定將直接影響到τ值,按之前假設(shè)的一階系統(tǒng)響應(yīng)特性模型,可知溫度階躍與激光器加熱時間的關(guān)系,當(dāng)t=5τ時，(T-T0)/(Te-T0)=0.993,故當(dāng)t≥5τ時,可認(rèn)為T=Te,即激光加熱時間在5τ以后階躍溫度趨于達到穩(wěn)態(tài)。所以,想要得到時間常數(shù)τ的值,則熱電偶加熱的終止時間應(yīng)為熱電偶時間常數(shù)的5倍以上。
4實驗結(jié)果及分析
　　圖4所示為實驗測得的自制Cu/CuNi小慣性熱電偶對階躍溫度的響應(yīng)曲線。從圖4中可以看出,熱電勢隨時間的變化響應(yīng)曲線可分為3個階段:上升段為加熱階段、水平段為動態(tài)熱平衡階段、下降段為冷卻階段。在加熱段,熱電偶在激光光束的加熱作用下,熱接點吸收的熱量大于自身向外輻射和自然對流損失的熱量,熱接點溫度迅速升高產(chǎn)生正階躍溫度;在熱平衡段,熱電偶接點吸收的激光光束能量等于自身散失的能量,熱電偶的溫度維持在一穩(wěn)定值;在冷卻段,激光光束停止加熱,熱電偶通過自身向外輻射和自然對流作用散熱,溫度降低,直至達到環(huán)境溫度,產(chǎn)生負(fù)階躍溫度。根據(jù)圖形數(shù)據(jù),波形電壓幅值為13.8mV,此時階躍溫度達到318C,從得到的響應(yīng)曲線上可直接讀出τ值，即在該狀態(tài)下正溫度階躍時熱電偶響應(yīng)時間約為118.8ms,負(fù)溫度階躍時熱電偶響應(yīng)時間約為115.2ms。
 
　　對同一根熱電偶進行多次實驗,測出每次被測熱電偶的時間常數(shù)τ,取平均值`τ作為該熱電偶時間常數(shù)的真值,用標(biāo)準(zhǔn)差σ表示每次測量結(jié)果間的離散程度,熱電偶的動態(tài)重復(fù)性用標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比的百分?jǐn)?shù)Rd來表征;用不確定度U來表征實驗結(jié)果的可信賴度,包括A類不確定度和B類不確定度。其中A類不確定度UA由σ組成,B類不確定度UB主要由高速數(shù)采和電子開關(guān)引起,各計算公式如下:
 
　　對自制的同一熱電偶進行了3次測試,在溫度的正階躍階段的結(jié)果分別為:120.6、118.4、117.4ms。將測試結(jié)果代人，上述各式中,有`τ=118.8ms,σ≈1.64ms,Rd=0.11%，U≈1.64ms。由測量結(jié)果的平均值和不確定度,得出該熱電偶的時間常數(shù):`τ=(118.8±1.64)ms。在溫度的負(fù)階躍階段結(jié)果分別為:115.2、112.3、116.9ms,同理得到在負(fù)階躍時該熱電偶的時間常數(shù)τ=(114.8±2.33)ms。上述結(jié)果表明,即使是同一熱電偶，在同一次測量過程中溫度的正、負(fù)階躍階段,其時間常數(shù)值也不相同。該現(xiàn)象主要是由熱電偶熱接點與周圍環(huán)境換熱條件不同造成的。在溫度的正階躍階段,熱電偶受激光光束加熱、自然對流和自身向外輻射散熱的共同作用,該散熱(尤其是輻射散熱)在溫度較低時并不明顯,所以此階段開始時溫升很快，曲線值急劇增加,但當(dāng)散熱達到與加熱熱量快相同的數(shù)量級時,減緩了熱接點溫度升高的趨勢,直至加熱量等于散熱量，此時熱電偶溫度達到動態(tài)平衡狀態(tài);而在隨后溫度的負(fù)階躍階段熱電偶僅受自然對流和自身向外輻射的散熱作用,在此階段初始時刻熱電偶溫度較高,散熱量(主要是輻射散熱量)較大,溫度急劇下降,隨后趨勢逐漸減緩直至達到環(huán)境溫度,在該過程中溫度隨時間呈指數(shù)規(guī)律遞減。整個測量過程中,單位時間內(nèi)熱電偶熱接點在正階躍階段疊加后的平均加熱量稍小于負(fù)階躍階段的平均散熱量,使得正階躍階段比負(fù)階躍階段達到熱平衡態(tài)的時間稍晚些，導(dǎo)致正階躍階段的時間常數(shù)稍大于負(fù)階躍時的時間常數(shù)。.
5結(jié)論
　　借助數(shù)字顯微放大鏡制成了直徑為0.05mm的微細(xì)銅/康銅絲熱電偶,其響應(yīng)時間達到毫秒級;
　　利用單片機、電子開關(guān)、小型紅外激光器獲得了較為理想的正、負(fù)階躍溫度,利用高速數(shù)據(jù)采集器快速采集到實驗數(shù)據(jù)。該方法對快速響應(yīng)熱電偶的時間常數(shù)進行測量,結(jié)果可靠、設(shè)備簡單、費用低廉,實用性較好。因此,該方法對于解決快速響應(yīng)熱電偶時間常數(shù)的測量問題具有較大的實用價值。