T型柔性薄膜熱電偶響應(yīng)速度與應(yīng)用

摘要：比較分析T型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶絲在響應(yīng)速度動態(tài)性能方面的差異，對恒溫金屬浴溫度偏差的校準(zhǔn)方法。結(jié)果表明，T型柔性薄膜熱電偶采用二維結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)一維結(jié)構(gòu)的熱電偶絲具有更高的穩(wěn)定性和更快的響應(yīng)速度，能夠更好地對瞬變溫度進行測量。在恒溫金屬浴溫度校準(zhǔn)測試中，T型柔性薄膜熱電偶能更好地貼合于測試孔內(nèi)，適應(yīng)柔性曲面的測溫需求，具有高的測量精度。
0引言
　　隨著設(shè)備便攜化、小型化的需求日益凸顯，對柔性小空間的溫度檢測校準(zhǔn)需求也日益增強。在醫(yī)療領(lǐng)域，恒溫金屬浴取代了傳統(tǒng)水浴加熱方式，用于酶制劑反應(yīng)、血清滅活試驗、膽固醇檢測等多個領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價值甲。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，COD測定儀對化學(xué)需氧量進行定量檢測，具有快速、正確、可靠的特點甲。對于諸如恒溫金屬浴、COD測定儀等設(shè)備的溫度校準(zhǔn)，需要將測溫傳感器緊密貼合于被測設(shè)備孔內(nèi)，采用傳統(tǒng)熱電偶絲無法保證與之完全貼合，容易引起測量誤差。現(xiàn)有的表面測溫?zé)犭娕迹瑑H針對平面加熱源，對于異形曲面也無法完全貼合，易引起測量誤差。此外,熱電偶測溫的基本原理是將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，兩種不同材料的熱連接點為測溫點，傳統(tǒng)熱電偶絲通常采用纏繞或者焊接的方式將兩種不同材料連接在一起形成熱連接點，在長期使用過程中，容易造成焊點脫落、導(dǎo)電不良，從而形成開路,導(dǎo)致接觸不良，影響測溫精度，甚至無法進行測溫。
0引言
　　隨著設(shè)備便攜化、小型化的需求日益凸顯，對柔性小空間的溫度檢測校準(zhǔn)需求也日益增強。在醫(yī)療領(lǐng)域，恒溫金屬浴取代了傳統(tǒng)水浴加熱方式，用于酶制劑反應(yīng)、血清滅活試驗、膽固醇檢測等多個領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價值甲。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，COD測定儀對化學(xué)需氧量進行定量檢測，具有快速、準(zhǔn)確、可靠的特點甲。對于諸如恒溫金屬浴、COD測定儀等設(shè)備的溫度校準(zhǔn)，需要將測溫傳感器緊密貼合于被測設(shè)備孔內(nèi)，采用傳統(tǒng)熱電偶絲無法保證與之完全貼合，容易引起測量誤差。現(xiàn)有的表面測溫?zé)犭娕迹瑑H針對平面加熱源設(shè)計，對于異形曲面也無法完全貼合，易引起測量誤差。此外,熱電偶測溫的基本原理是將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，兩種不同材料的熱連接點為測溫點，傳統(tǒng)熱電偶絲通常采用纏繞或者焊接的方式將兩種不同材料連接在一起形成熱連接點，在長期使用過程中，容易造成焊點脫落、導(dǎo)電不良，從而形成開路,導(dǎo)致接觸不良，影響測溫精度，甚至無法進行測溫。
　　前期采用真空卷繞(卷對卷)磁控等離子技術(shù)，制備T型柔性薄膜熱電偶，其具有柔性、超薄、穩(wěn)定性高、精度好、響應(yīng)速度快、低成本等特點。采用共濺射技術(shù)，將銅、鎳兩種不同金屬材料的陰極靶同時濺射制備銅鎳合金(康銅)柔性薄膜電極，其與銅柔性薄膜電極的熱連結(jié)區(qū)域采用雙層濺射模式，避免了傳統(tǒng)電焊連接存在的易氧化問題，確保了使用過程中穩(wěn)定可靠，如圖1所示。經(jīng)校準(zhǔn)，制得的柔性薄膜熱電偶溫度測量范圍為-50.0~150.0℃，溫度最大偏差為±0.3℃，厚度為0.05mm，，長度為130mm。與傳統(tǒng)熱電偶相比，T型柔性薄膜熱電偶熱連接點厚度為微納米量級,具有熱容量小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠的特點，能夠適應(yīng)柔性、小間隙區(qū)域、瞬變溫度的測溫需求。
 
　　圖2為T型柔性薄膜熱電偶實物圖，左側(cè)水泥灰色部分為銅鎳合金(康銅)膜，右側(cè)香檳金色部分為銅膜,中間重疊部分為測溫區(qū)域。根據(jù)使用需求,可以將柔性薄膜熱電偶按照被測對象的實際尺寸進行裁剪，左右兩側(cè)預(yù)先鉆孔，用于連接補償導(dǎo)線連接片。
 
　　對比T型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶的響應(yīng)速度，T型柔性薄膜熱電偶的瞬變溫度測量能力，并進一步采用T型柔性薄膜熱電偶對恒溫金屬浴進行溫度校準(zhǔn)及結(jié)果分析。
1響應(yīng)速度測試
　　相比傳統(tǒng)的熱電偶，T型柔性薄膜熱電偶的熱接點厚度為微納米級，具有典型的二維結(jié)構(gòu)特性，貼合更緊密”。迄今為止，對薄膜熱電偶的動態(tài)校準(zhǔn)尚沒有統(tǒng)一的方法、規(guī)范，因此，采用柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶進行溫度響應(yīng)速度動態(tài)性能測試，判斷兩者響應(yīng)速度的快慢。常見的溫度響應(yīng)速度動態(tài)性能測試方法有:滴水法、電加熱定標(biāo)法、可調(diào)Q值脈沖激光法和迅速投擲法等。
　　滴水法是將水滴滴落到加熱的熱電偶表面,分析其響應(yīng)曲線，判斷動態(tài)響應(yīng)速度。由于水滴體積小、比熱容小，很難保證水滴落下與接觸之前的溫度恒定。當(dāng)熱電偶加熱溫度較高時，水滴直接會被汽化，影響測試結(jié)果。電加熱定標(biāo)法通過瞬時通電，產(chǎn)生熱脈沖，被測熱電偶產(chǎn)生溫度響應(yīng)。電加熱定標(biāo)法通電過程需要大電流，容易造成薄膜熱電偶發(fā)熱過高而引起內(nèi)應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致膜層脫落。可調(diào)Q值脈沖激光法采用激光脈沖信號作為熱源，提供瞬間溫變,而對激光功率的選擇較為苛刻,激光功率過大，容易造成薄膜層的開裂;功率過小則無法消除基底熱容對薄膜熱電偶動態(tài)響應(yīng)的影響。迅速投擲法借鑒水滴法原理，是-種簡單有效獲得溫度階躍變化的方法。將熱電偶從常溫空氣中迅速投擲到恒溫的溫度校準(zhǔn)槽中，在熱電偶進人油浴的過程中,其表面溫度會迅速升高,并最終達到穩(wěn)定。通過溫度數(shù)據(jù)記錄儀采集整個過程的溫度變化，并進行分析處理。
　　將T型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶絲(T型)捆綁并連接溫度數(shù)據(jù)記錄儀，設(shè)置調(diào)節(jié)記錄間隔為.1s，并同時從常溫空氣中投擲人100℃的溫度校準(zhǔn)槽中，5min后停止數(shù)據(jù)記錄，導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行分析比對。
　　T型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶絲溫度響應(yīng)速度如圖3所示，測試結(jié)果表明，柔性薄膜熱電偶的響應(yīng)速度快于傳統(tǒng)熱電偶絲。當(dāng)柔性薄膜熱電偶快速投入100℃的溫度校準(zhǔn)槽，溫升至80℃的過程中，T型柔性薄膜熱電偶所處的溫度場發(fā)生急劇改變，其產(chǎn)生的熱電動勢急劇變化，隨著時間的推移，接近溫度校準(zhǔn)槽的設(shè)定溫度，輸出的熱電動勢增速也逐漸變緩，最終穩(wěn)定在100℃左右。而傳統(tǒng)熱電偶絲的響應(yīng)速度略慢于T型柔性薄膜熱電偶，這是由于傳統(tǒng)熱電偶絲熱連接點近似為單個或多個一維結(jié)構(gòu)，熱連接點的貼合程度低于熱電結(jié)為二維結(jié)構(gòu)的柔性薄膜熱電偶。因此，柔性薄膜熱電偶更適合瞬變溫度的測量，能夠更好地反應(yīng)環(huán)境溫度的瞬間變化。
 
2應(yīng)用實例
2.1測試方法
　　用恒溫金屬浴逐漸取代了傳統(tǒng)水浴鍋加熱，用于酶制劑反應(yīng)、血清滅活試驗、膽固醇檢測等多個領(lǐng)域，因此，對其進行溫度校準(zhǔn)尤為必要。恒溫金屬浴參照技術(shù)依據(jù)JJF1101--2019《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范》進行溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度校準(zhǔn)。所用標(biāo)準(zhǔn)器為T型柔性薄膜熱電偶、溫度數(shù)據(jù)記錄儀。

　　測試開始前，檢查溫度數(shù)據(jù)記錄儀工作是否正常，通電預(yù)熱30min。將T型柔性薄膜熱電偶貼合于被測恒溫金屬浴的測試孔內(nèi)，當(dāng)恒溫金屬浴測試孔數(shù)量小于等于4x4時，宜在中心測試孔位置安置柔性薄膜熱電偶;當(dāng)恒溫金屬浴單邊測試孔數(shù)量大于4個時，則需要在該側(cè)兩端測試孔各增加安置一個柔性薄膜熱電偶;當(dāng)恒溫金屬浴兩邊測試孔數(shù)量均大于4個時，則需要在四端測試孔均增加安置一個柔性薄膜熱電偶。將T型柔性薄膜熱電偶與溫度數(shù)據(jù)記錄儀通過補償導(dǎo)線連接，并固定。
　　設(shè)置數(shù)據(jù)采樣間隔(每2次采樣的時間間隔),待被測恒溫金屬浴達到設(shè)定溫度30min后，開啟數(shù)據(jù)采樣，記錄各T型柔性薄膜熱電偶溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)每2min采集--次，共采集16次。
記錄完成后，關(guān)閉數(shù)據(jù)采樣，將數(shù)據(jù)導(dǎo)人至本地存儲器或者外接USB存儲器
　　測試完畢后，先關(guān)閉數(shù)據(jù)采集器電源，然后關(guān)閉被測設(shè)備電源，待被測恒溫金屬浴恢復(fù)至室溫后，拆去T型柔性薄膜熱電偶。
2.2測試數(shù)據(jù)與分析
　　恒溫金屬浴150℃校準(zhǔn)測試，被測恒溫金屬浴為3x5孔，依據(jù)測試方法，布設(shè)3個測溫點，自上而下分別為A、0、B，如圖4所示，待恒溫金屬浴升溫至設(shè)定溫度150℃后，穩(wěn)定30min,開始每2min記錄--次數(shù)據(jù)，記錄16次(30min),數(shù)據(jù)如表1所示。
 
2.3測試結(jié)果
　　根據(jù)JJF1101--2019計算得出該恒溫金屬浴的各測試點平均溫度值、上偏差、下偏差、均勻度、波動度，如表2所示
 
　　測試結(jié)果顯示，T型柔性薄膜熱電偶能夠適應(yīng)恒溫金屬浴的溫度校準(zhǔn)，由于T型柔性薄膜熱電偶的響應(yīng)速度優(yōu)于傳統(tǒng)熱電偶，其更適合于瞬變溫度的測量，恒溫金屬浴的升溫速率較傳統(tǒng)水浴鍋更快,T型柔性熱電偶薄膜能夠更好地跟蹤恒溫金屬浴的升溫，對其升溫溫度測量更為準(zhǔn)確。而對于恒溫金屬浴恒溫過程中的溫度校準(zhǔn)，T型柔性熱電偶的高響應(yīng)速度，能夠更好地捕捉恒溫金屬浴的細微溫度變化，得出的溫度波動度更為正確。同時，T型柔性薄膜熱電偶能夠更好地貼合于恒溫金屬浴測試孔內(nèi)，測量精度高。
3．結(jié)語
　　對比T型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶的響應(yīng)速度動態(tài)性能，結(jié)果表明，T型柔性薄膜熱電偶具有更快的響應(yīng)速度。相較于傳統(tǒng)熱電偶的熱接點為單個或多個一維結(jié)構(gòu)，T型柔性薄膜熱電偶采用二維結(jié)構(gòu)，具有更高的穩(wěn)定性和靈敏度，更能適應(yīng)瞬變溫度的測量。使用T型柔性薄膜熱電偶對恒溫金屬浴溫度校準(zhǔn)，該類熱電偶能夠更好地貼合于恒溫金屬浴測試孔中，測量精度更高。