熱電偶延誤量特性研究

摘要：用熱電偶進(jìn)行溫度動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)常用階躍溫度信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，而階躍溫度施加在熱電偶表面的時(shí)刻與熱電偶開始響應(yīng)輸出的起始時(shí)刻存在一定的延遲量，且該量值對(duì)熱電偶的動(dòng)態(tài)特性具有較大的影響。為了探究該延遲量與熱電偶動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系，研究以激光器作為激勵(lì)源，得到了溫度上升時(shí)間小于20μS的階躍溫度信號(hào)。用微透鏡陣列對(duì)激光光束進(jìn)行均勻化處理，使光斑內(nèi)能量均勻分布。用高速輻射溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偶結(jié)表面的溫度，得到了精確溫度下的熱電偶動(dòng)態(tài)特性。最后對(duì)3種不同直徑的K型熱電偶和C型快速響應(yīng)熱電偶進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析了不同條件下延誤量與熱電偶時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，為熱電偶接觸式測(cè)溫精度和動(dòng)態(tài)特性的提升提供了參考。
0引言
　　熱電偶的動(dòng)態(tài)特性是衡量其快速測(cè)溫能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，對(duì)于瞬態(tài)溫度測(cè)試具有極其重要的作用。隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，正向高馬赫數(shù)、高可靠性、高性能、高推重比發(fā)展。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫測(cè)試，主要針對(duì)對(duì)燃?xì)狻⒈诿婕盁岫瞬考臏囟取暮娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)的需求來(lái)看，掌握其核心部件的瞬態(tài)溫度對(duì)于提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命很有必要。熱電偶作為接觸式測(cè)溫的主要方式之一，具有較高的可靠性，因此研究其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)航空領(lǐng)域的瞬態(tài)測(cè)溫有著重要意義。時(shí)間常數(shù)作為熱電偶動(dòng)態(tài)特性最重要的指標(biāo)，是判斷熱電偶質(zhì)量和使用范圍的重要物理量，因此對(duì)其進(jìn)行正確測(cè)試和分析尤為重要。其測(cè)量方法主要是溫度階躍響應(yīng)法。但熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響因素很多，多數(shù)情況下，僅通過時(shí)間常數(shù)并不能完全反應(yīng)其動(dòng)態(tài)特性。清華大學(xué)的熊劍等在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)階躍溫度激勵(lì)信號(hào)作用在熱電偶偶結(jié)上的時(shí)刻和熱電偶響應(yīng)的起始時(shí)刻存在一定的時(shí)間延遲。為了探索該時(shí)間延遲與熱電偶的時(shí)間常數(shù)有何種關(guān)系，采用丁烷火焰槍作為階躍溫度激勵(lì)源，對(duì)不同偶結(jié)的K型熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，研究了該時(shí)間延長(zhǎng)與熱電偶時(shí)間常數(shù)的關(guān)系。
　　本文采用上升時(shí)間＜20μS、功率上限為515Ｗ的半導(dǎo)體激光器取代火焰槍作為激勵(lì)源。同時(shí)對(duì)激光光束進(jìn)行了均勻化處理，并用高速紅外輻射溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱電偶表面溫度的動(dòng)態(tài)變化過程。通過多組實(shí)驗(yàn)，得出了不同偶絲直徑、不同激光功率兩種條件下延誤量與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，并分析了造成此測(cè)試結(jié)果的可能性因素。為提高熱電偶動(dòng)態(tài)測(cè)試正確性提供了參考。
1熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試原理
　　熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析模型，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，按一階常微分方程處理。當(dāng)采用階躍溫度信號(hào)對(duì)熱電偶的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于熱電偶的熱慣性，使得階躍溫度激勵(lì)施加在熱電偶表面的時(shí)刻與熱電偶產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)，開始響應(yīng)輸出的起始時(shí)刻之間有一定的時(shí)間差，通常將這一時(shí)間差稱為熱電偶延誤量，用Δt表示，計(jì)算方法如下：
 
　　式中：t1表示階躍溫度激勵(lì)施加在熱電偶表面的時(shí)刻；t2表示熱電偶響應(yīng)的起始時(shí)刻。時(shí)間常數(shù)τ的計(jì)算方法如式（2）。
 
 
　　式中：t3表示熱電偶偶結(jié)溫度到達(dá)階躍溫差tg－t0的63.2％的時(shí)刻。圖1所示為熱電偶延誤量示意圖。
2熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)
　　為了探究熱電偶延誤量與其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)系，搭建了熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。由溫度激勵(lì)模塊、光學(xué)模塊、動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊3部分組成。
　　測(cè)試過程如下：由脈沖控制器設(shè)定階躍激勵(lì)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器控制激光器產(chǎn)生一個(gè)階躍溫升。由于該激光器上升時(shí)間≤20μS，因此可近似認(rèn)為是理想的階躍溫度激勵(lì)。激光光束經(jīng)光學(xué)模塊準(zhǔn)直、均勻、聚焦后形成功率分布均勻的光斑，作用在被測(cè)熱電偶偶結(jié)上。熱電偶輸出信號(hào)經(jīng)動(dòng)信號(hào)調(diào)制電路放大、濾波后由采集系統(tǒng)得到其響應(yīng)曲線。采集系統(tǒng)同時(shí)采用光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)激光激勵(lì)曲線。為了得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)下的熱電偶的正確溫度，同時(shí)確保激光不對(duì)熱電偶造成損傷，采用高速輻射溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱電偶表面溫度的動(dòng)態(tài)變化過程。
 
 
　　與其他熱電偶動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)如下：采用激光器作為激勵(lì)源，可以得到更為理想的階躍溫度激勵(lì)，進(jìn)而可以對(duì)響應(yīng)速度更快的熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試；采用微透鏡對(duì)激光光束進(jìn)行均勻化處理，使光斑內(nèi)能量均勻分布，提升了測(cè)試系統(tǒng)的可重復(fù)性和正確性；用高速輻射溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偶結(jié)表面溫度，既可以得到具體溫度下的熱電偶動(dòng)態(tài)特性，彌補(bǔ)了“靜標(biāo)動(dòng)用”的不足。又能作為激光功率的調(diào)整依據(jù)，避免激勵(lì)溫度超過熱電偶測(cè)溫上限，造成不可修復(fù)性損傷。
２．1溫度激勵(lì)模塊
　　溫度激勵(lì)模塊包括脈沖控制器、驅(qū)動(dòng)器和激光器，控制器和驅(qū)動(dòng)器用于控制激光的開啟和關(guān)閉，設(shè)置激光輸出信號(hào)、加熱時(shí)間等參數(shù)。核心部件采用ＲＦL—A500Ｄ半導(dǎo)體激光器，階躍溫度上升時(shí)間＜20μS。激光上升時(shí)間為微秒級(jí)別，與利用機(jī)械快門產(chǎn)生階躍溫度激勵(lì)的方法相比，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、可重復(fù)性更高且溫度激勵(lì)信號(hào)更加理想，因此可以對(duì)響應(yīng)極快的熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試。
2.2光學(xué)模塊
　　光學(xué)模塊包括QBH光纖準(zhǔn)直器、微透鏡陣列和聚焦透鏡。未經(jīng)均勻化的激光光斑能量是呈高斯分布的，激光光斑能量的不均勻性會(huì)影響熱電偶動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的精度和可重復(fù)性，因此測(cè)試系統(tǒng)采用微透鏡陣列法搭建了激光均勻化模塊。該模塊的均勻化過程主要是對(duì)光束進(jìn)行均勻分割后再次聚焦重疊。模塊主要包括準(zhǔn)直器、兩片微透鏡陣列和傅里葉透鏡。光源LG產(chǎn)生的有發(fā)散角的激光，經(jīng)過準(zhǔn)直器L1后變?yōu)槠叫泄狻善⑼哥R陣列LA1和LA2正對(duì)平行放置，平行激光光束經(jīng)過微透鏡陣LA1列后被分隔成若干子光束，并聚焦到微透鏡陣列LA2，兩微透鏡陣列間距30mm≤ｄ≤60mm，避免經(jīng)LA1分割聚焦后的光束對(duì)LA2造成熱損傷。微透鏡陣列LA2和傅里葉透鏡L2將激光光束疊加在L2的焦點(diǎn)Ｐ處，其焦距為150mm，圖3所示為均勻化模塊原理［14］。
 
2.3動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊
　　溫度動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的瞬態(tài)加熱和信號(hào)采集。為了研究不同溫度下的熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，需要得到熱電偶表面的溫度值。以往的研究中通常是用靜態(tài)校準(zhǔn)得到的溫度－熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)確定動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)中的熱電偶表面溫度。這種“靜標(biāo)動(dòng)用”的方法在理論和實(shí)測(cè)中的正確性仍有待驗(yàn)證，因此系統(tǒng)采用KmGA740型高速輻射溫度計(jì)對(duì)熱電偶表面溫度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。同時(shí)用tHＯＲLABSＰＤA10A－ＥC型光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)激光施加到偶結(jié)表面的時(shí)間，高速數(shù)據(jù)采集卡同步采集得到熱電偶響應(yīng)曲線、光電探測(cè)器檢測(cè)的激勵(lì)曲線和高速輻射溫度計(jì)測(cè)得的溫升曲線，圖4所示為熱電偶動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。
 
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　實(shí)驗(yàn)中，為了研究同類型、不同偶絲直徑的熱電偶延誤量與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，選取了偶絲直徑分別為0.5、0.6、1mm的K型熱電偶，均采用8％的激光功率、12S的階躍溫度激勵(lì)進(jìn)行加熱。分別得到階躍溫度激勵(lì)施加在偶結(jié)表面的時(shí)刻t1、熱電偶響應(yīng)的起始時(shí)刻t2和熱電偶的時(shí)間常數(shù)τ，進(jìn)而計(jì)算分析得到延誤量與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，圖5～10所示為測(cè)試結(jié)果波形。
 
 
　　根據(jù)電勢(shì)值計(jì)算可得，當(dāng)激光加熱功率為8％時(shí)，0.6mmK型熱電偶偶結(jié)表面溫度535.6℃，1mm K型熱電偶偶結(jié)表面溫度為661.4℃。0.5mmK型熱電偶偶
 
　　結(jié)表面溫度低于輻射溫度計(jì)量程下限，未能檢測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)斯忒藩—玻爾茲曼定律的推廣式：
 
　　式中：ε稱為物體的發(fā)射率；A為輻射源表面積；σ為斯忒藩—玻爾茲曼常量。因?yàn)楸粶y(cè)熱電偶具有相同材料，也就具有相同的發(fā)射率。所以偶結(jié)越大，輻射源表面積A越大時(shí)，相同的激光加熱功率下，熱電偶表面溫度也不同。根據(jù)上述測(cè)試波形，各參數(shù)如表1所示。
 
　　為了研究不同激勵(lì)溫度（激光功率）下熱電偶延誤量與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試上限，選用型號(hào)為ZLZ－HS－2的C型急速響應(yīng)熱電偶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖11所示。
 
　　根據(jù)出廠指標(biāo)，該熱電偶響應(yīng)時(shí)間為10mS，精度可達(dá)4％。設(shè)置激光加熱功率依次為6％、8％、9％，加熱時(shí)間均為10S。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到不同加熱溫度下延誤量與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系。圖12～17所示分別為3種激光功率下C型熱電偶的測(cè)試波形及放大波形。
 
　　根據(jù)測(cè)試波形和式（3）計(jì)算可知，激光功率為6％、8％、9％時(shí)，C型熱電偶表面溫度分別為481.2℃、895.6℃、988.2℃。各參數(shù)如表2所示。

 
 
4實(shí)驗(yàn)分析
　　由表1可知，隨著K型熱電偶偶絲直徑增大（偶結(jié)增大），熱電偶的時(shí)間常數(shù)、溫升峰值和延誤量Δt均會(huì)增加。由表2可知，用不同激光功率（加熱功率）、相同加熱時(shí)間對(duì)同一熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，延誤量Δt與加熱功率沒有相同的變化趨勢(shì)，但與時(shí)間常數(shù)正相關(guān)。
5結(jié)論
　　本文以高功率半導(dǎo)體激光器為主體，搭建了溫升快、均勻化程度高、響應(yīng)監(jiān)測(cè)全面的熱電偶動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。通過多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了熱電偶時(shí)間常數(shù)與延誤量的關(guān)系。結(jié)果表明，偶絲直徑（偶結(jié)大小）越大，其時(shí)間常數(shù)和延誤量越大；對(duì)于同一熱電偶，延誤量Δt與加熱功率無(wú)關(guān)，與時(shí)間常數(shù)成正比關(guān)系。其延誤量約為10mS，為了進(jìn)一步提升熱電偶的動(dòng)態(tài)測(cè)溫性能，必須設(shè)法減小該延時(shí)效應(yīng)。