影響Pt100溫度傳感器熱響應(yīng)時間的因素

摘要: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)系到車輛運行的安全性和可靠性。針對影響熱響應(yīng)時間的幾個因素展開分析，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，即測試方法對熱響應(yīng)參數(shù)的影響。
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，對溫度傳感器的要求也越來越高。其中,熱響應(yīng)時間對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)對安全信息的判斷。本文主要結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計和驗證，對影響熱響應(yīng)時間參數(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，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TI,與外界的換熱熱阻為RI,熱容為CI,則保護(hù)層內(nèi)溫度變化應(yīng)滿足式(1),即:
 
　　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)時間定義為:當(dāng)溫度出現(xiàn)階躍變化時，且階躍值不大于10℃，Pt100溫度傳感器電阻變化至90%.的時間(21。
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.先要消除自身的熱量.然后才能冷至介質(zhì)溫度,這個過程需要耗費一定的時間。
　　常規(guī)Pt100測試電流為1mA,1mA測試電流會使溫度升高約0.05℃，產(chǎn)生的響應(yīng)時間非常小，可以忽略不計。同時，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，實際使用時推薦1mA。
4.1.2元件熱滯后
　　敏感元件不能在介質(zhì)溫度變化時立即響應(yīng)介質(zhì)溫度.時間上會產(chǎn)生滯后，這種滯后也會影響熱響應(yīng)時間。
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。二線制會減少導(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，電流幾乎不流過回路，這樣可正確測量阻值。
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，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，灌封工藝對熱響應(yīng)時間也會產(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)計過程中，要科學(xué)、合理地設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，以.滿足產(chǎn)品總裝和安裝要求，同時，還要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱響應(yīng)時間的影響。
4.4測量方法影響分析
　　溫度傳感器熱響應(yīng)時間測試方法對熱響應(yīng)時間也會產(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。
　　試驗方法是:將傳感器感溫部分放人水流式熱響應(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)時間，試驗結(jié)果應(yīng)為同一試驗至少3次測試結(jié)果的平均值，每次測試結(jié)果對于平均值的偏離應(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，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個影響因素,從而為開發(fā)更快熱響應(yīng)時間溫度傳感器提供理論和試驗依據(jù)。