【《热电偶时间常数测试原理分析》3400字】

热电偶时间常数测试原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u23847热电偶时间常数测试原理分析 150321.1热电偶测温原理 1271131.2热电偶时间常数测试原理 218631.3热电偶时间常数测试方法 326231（1）水浴法或油浴法 37163（2）激波校准法 422372（3）热风洞法 520923（4）激光激励法 61.1热电偶测温原理热电偶的工作原理是塞贝克效应，也成为第一热电效应，是由两种不同材料的导体组成闭合回路，当这两种导体之间存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端就会产生电动势。热电偶其实是一种能量转换器，可以将热能转换为电能，然后用所产生的热电势来测量温度。在实际应用中，将热电偶的测温端与被测介质接触，将参考端置于冰水混合物或者其它恒温容器中，参考端与显示仪表连接，即可显示热电偶所产生的电动势。在实际测试应用中，热电偶参考端的温度不能变化，如果发生变化，将会严重影响最终测量数据的准确性，一般都会在参考端采取一定的措施进行补偿，即冷端温度补偿，再用专用补偿导线与测量仪表连接[72]。如图2-1所示为热电偶的基本结构，A、B为两种不同材料的导体，经过焊接组成闭合回路。图2-1热电偶基本结构示意图Fig.2-1Basicstructurediagramofthermocouple1.2热电偶时间常数测试原理热电偶在实际测温的过程中，只有当热电偶与被测对象之间达到完全的热平衡之后，热电偶所测得的温度才是准确可信的，由于热电偶本身的结构特性，决定了热电偶在测温过程中存在一定的滞后性，而滞后时间的长短即表示热电偶的动态响应速度，在静态及准静态测量中，热电偶的滞后性不会给最终的实验结果造成太大的影响，但是在瞬态测量中，热电偶动态响应速度的快慢则直接影响着整个实验的进行。一般情况下，热电偶被当作一阶系统，热电偶的时间常数值则代表了热电偶的动态响应速度，忽略热电偶在测量中的传热能量和辐射能量的散失可得如下公式：（2-1）（2-2）式中，为热电偶测量端储热量，为热电偶对流传热量，为热电偶测量端密度，为热电偶测量端比热容，为热电偶测量端体积，为热电偶测量端温度，为介质温度，为对流换热系数，为测量端换热面积。设，根据式（2-1）、式（2-2）整理可得1阶微分方程：（2-3）1阶微分方程式（2-3）的通解为，为常数。假设时，，为零时刻测量端表面的温度，则可得：（2-4）根据式（2-4）可以得到，当时，热电偶表面温度达到阶跃温度的63.2%，即为热电偶的时间常数。热电偶时间常数测试的理想输出曲线如图2-2所示。横坐标为时间，纵坐标为温度，为热电偶起始时刻的温度，为稳定温度，为起始时刻，为热电偶表面温度达到阶跃温度的63.2%的时刻。图2-2热电偶响应曲线Fig.2-2Thermocoupleresponsecurve从上述内容中可以得到热电偶时间常数值即热电偶的动态响应速度与其本身的材料属性和立体结构有很大关系，但是，热电偶的这些特征参数不是一成不变的，在不同的实验环境下，这些数值可能会随着气压、温度、湿度和被测对象的本身属性发生改变，因此，热电偶时间常数的获取是针对具体环境的，在低温低速环境下测得的热电偶时间常数极有可能不适用于瞬态高温环境，针对这一问题，建立一套完善的热电偶时间常数测试方法就显得尤为必要，以保证不同测试环境下均能完成热电偶的选型[73]。1.3热电偶时间常数测试方法热电偶时间常数的测试与校准已经有很多年的研究和发展，当前所采用的测试技术核心是在热电偶的测温端形成稳定的阶跃温度激励，进而完成测试，因此，稳定的阶跃温升源的获取就成为评判测试技术好坏的一个重要标准，主要的测试方式有如下几种：（1）水浴法或油浴法水浴法或者油浴法测试热电偶时间常数的原理是一样的，都是给热电偶测温端提供一个恒温装置，确保热电偶的测温端能够形成阶跃温升[74]。首先，需要在恒温槽内加入适量的水或油，保证水温或油温能够稳定在期望温度，其次，需要将热电偶的测温端快速放入恒温槽中，因为热电偶在进入恒温槽中会对其中原有的温度场造成破坏，因此，研究人员设计和制作了多种热电偶推送装置，比如电机投入装置、弹送器等，如图2-3所示为一种比较常见的测试装置图。图2-3恒温槽装置示意图Fig.2-3Schematicdiagramofthermostaticbathdevice利用水浴、油浴等恒温槽来测试热电偶时间常数的方法的优势在于装置结构简单、易于操作，可以在较短时间内完成多次实验，实验成本低，适合完成大批量的热电偶校准测试，但是，水温或者油温所能达到的温度上限是一定的，所以测温范围受到很大的局限，无法完成高温热电偶的校准，并且，机械弹送装置受成本和自身属性影响，无法达道高速状态，因此对于需要快速响应的热电偶的校准适应性不强。（2）激波校准法激波校准法的工作原理是利用激波管中激波压缩作用来实现气体压强或者温度的突变，进而产生阶跃温度。激波管装置示意图如图2-4所示。激波管是一段柱状金属长管，两端封闭，中间由膜片将其内部分为高压室与低压室两部分，分别充满压强差较大的两种气体，当中间的膜片达到自身所能承受的压力极限时便会破裂，此时高压室的气体就会由于压力的作用迅速膨胀至低压室，由此形成一道激波，迅速压缩低压室内的气体，使低压室内的气体压强和温度骤然提升，因此，激波管经常被用来校准压力传感器和温度传感器。激波管由于其本身特性，可以给热电偶提供一个较大的阶跃温升，满足高温热电偶的校准需求，但是，由于激波管在工作过程中，激波压缩的时间非常短暂，无法较长时间的提供稳定的阶跃信号，极有可能在热电偶的输出尚未达到稳定时，就已经停止了激励，因此，只能适用于校准一些响应速度很快的热电偶。图2-4激波管装置示意图Fig.2-4Schematicdiagramofshocktubedevice（3）热风洞法热风洞可以提供一个高温、均匀、稳定的温度场，因此也可以作为热电偶校准中的温度激励源。如图2-6所示为热风洞法示意图，其工作原理为利用喷管将内部燃烧室中产生的高温高压气体匀速喷出，进而形成稳定的温度场，完成热电偶的校准。首先，将需要校准的热电偶置于低温区，待喷出的气流温度达到稳定后，利用弹送装置将热电偶推入高温区，从而形成温度阶跃，所产生的温度阶跃差取决于高温区与低温区之间的温度差。利用热风洞法进行热电偶校准的优势在于它可以随时调节温度差，因此可以完成高温热电偶与低温热电偶的校准，使用范围较广，另外，热风洞校准法所模拟的温度环境与航空航天发动机有一定的类似之处，所以，对航空航天领域的发展有一定的促进作用，但是，热风洞法校准热电偶的缺陷也比较明显，它的体积较大，建造成本较高，导致它的应用场所比较局限[75,76]。图2-6热风洞法示意图Fig.2-6Schematicdiagramofhotairtunnelmethod（4）激光激励法激光激励法是当前热电偶校准试验中最为常见的方法之一。激光本身具有很高的能量，在经光学聚焦后可以将能量汇聚于热电偶的测温端，瞬间产生极高的温度，上升时间很短，当热电偶的输出达到稳定之后，即可形成温度阶跃。另外，激光器所发出的激光具有定向性，激光光源中所有的光子均从一个位置向外发出，而且激光的波长带宽很窄，所以激光具有很好的单色性。在工业领域，激光经常被用于切割、热处理、加工和焊接等等方面。比如，在激光焊接中，经过光学聚焦后的激光光束可以在介质表面产生几千度的高温，瞬间将其融化，然后完成焊接。在激光照射到介质表面后，所产生的能量一部分被反射，一部分被吸收，一部分被透射（非固体材料），当介质为金属材料时，对激光的吸收主要会受到金属温度、表面粗糙度、激光波长和金属材质等的影响，当激光照射时间较长时，会对金属材料的表面结构产生改变，这也会增大金属对激光的吸收率。激光这一特性使得在采用激光激励法对热电偶进行时间常数测量时，能够在热电偶测温端形成期望的温度阶跃，根据需求设置平衡温度，但是难点也在于如何控制激光器的输出功率，调节激光能量密度，进而确保热电偶吸热和散热达到动态平衡，实现阶跃63.2%的时间常数测量[77]。中北大学周汉昌、郝晓剑团队所提出的采用激光激励法进行热电偶瞬态表面温度校准原理如图2-7所示，以优于被校准温度传感器时间响应的的碲镉汞红外探测器的温度变化曲线作为真值对动态误差进行补偿，在此基础上，拓展了对温度传感器时间常数的校准。图2-7激光激励法表面温度动态校准测试原理Fig.2-7Principleofdynamiccalibrationandmeasurementofsurfacetemperaturebylaserexcitationmethod在使用激光对热电偶进行加热时，热