微细热电偶的制作与时间常数标定

摘要:在瞬态温度测量中,为了得到的测量结果,要求热电偶具有良好的快速响应特性,其时间常数越小越好。借助于数字显微放大镜观察,以微细铜丝和康铜丝(φ0.05mm)焊接制备了快速响应热电偶;为了对时间常数标定,采用单片机控制电子开关闭合让激光器立即工作产生瞬时温度阶跃，建立了测定热电偶动态特性的实验系统,并用该系统测定了Cu/CuNi快速响应热电偶的时间常数。结果表明,制备的微细热电偶响应时间达到(118.8+1.64)ms;利用该系统对时间常数进行标定,结果可靠、设备简单、费用低廉,实用性较好。
1引言
　　热电偶传感器结构简单.价格便宜、测量范围广,被广泛应用在工业生产中。针对普通热电偶,为提高测温精度已进行了广泛研究",开发了基于K型热电偶专用信号处理集成芯片MAX6675的测温系统，降低了系统的结构复杂性和设计成本。但普通热电偶响应时间一般都在2s以上3],难以满足特定工况下对瞬态温度的要求,例如在研究高速列车快速通过钢轨时,测量轮轨接触区域温度的热电偶要求响应时间要小于2ms;研究内燃机在全负荷状态下工作时燃烧室内壁的瞬态温度时,要求热电偶响应时间应在1~2ms[4];研究均匀液滴喷射飞行过程中温度的变化时,冷却速率达-3.76℃/mm。在瞬态温度测量过程中,由于普通热电偶响应时间长,热惯性大,测量温度比真实温度时间滞后,这无法满足快速的反映真实温度的要求。因此制备快速响应热电偶及其时间常数的确定对保证瞬态温度的测量有重要意义。
　　关于瞬态温度,许多学者利用薄膜热电偶来测试。采用0.5~1.0μm的多点薄膜热电偶(TFTC)在磨削工作表面阵列分布以测量和研究金刚石砂轮与花岗石摩擦界面能量传输特征。通过在摩擦接触表面布置一系列薄膜热电偶(厚35μm)来测得表面温度,其具有较小的热惯性、较高的灵敏度、测试数据较为正确。但薄膜热电偶现在技术还不够完善，结点面积较大(>4mm2),而摩擦过程中，微凸体接触时的半径只有几到几十微米,这意味着薄膜热电偶反映的只是薄膜本身的温度平均值,即局部区域的平均温度,而不是闪点温度。所以采用薄膜热电偶测得的最大温度值并不可靠。
　　在确定热电偶时间常数时,大都采用实验方法测定,而不用理论方法计算。最常用的实验测定方法是温度阶跃法[8],即给热电偶输人阶跃信号并对其进行动态校准实验,从输出的阶跃信号响应曲线上直接得到时间常数。实验方法主要有:投人法、热风洞法、电加热法、激波管法、激光调制法等。这几种方法各有其优缺点，如投入法由于人手反应慢,对具有较小时间常数的热电偶测量时不适用;热风洞法1011设备复杂、使用费用昂贵、输人信号并不是理想的阶跃信号,对小惯性热电偶进行校准时,会产生较大的误差;电加热法也同样具有上述问题;激波管法[14]在产生温度阶跃后保持的时间短,不能使热电偶输出响应达到稳态，故也无法得到可靠的时间常数值;激光调制法['5]由于其.性能优良,对毫秒及亚毫秒量级热电偶时间常数的测量结果好,不足的是整套设备复杂、昂贵,不便于广泛使用。目前制约用实验方法测定毫秒级及以下量级热电偶时间常数的最主要因素是如何获得理想的阶跃温度。
　　以微细铜/康铜丝制备快速响应热电偶,在自然环境中用波长为650nm的普通小功率红光激光器作为加热热源,提供阶跃温度,获得了较理想的正、负阶跃温度,测定了毫秒级热电偶时间常数。
2测量原理
　　热电偶的动态特性问题的分析模型,通常是在忽略热电偶内部温度分布、自身导热和与环境辐射换热的假设条件下,按一阶常微分方程来处理。在达到稳态时，微分方程如下:
 
　　式中:τ为热电偶的时间常数,T、Tg分别为热电偶与被测介质的温度,ρ、cp、V、A分别为热电偶密度、定压比热容、热电偶热接点的体积和表面积,h为热电偶与周围被测介质间的对流换热系数,1为时间。
　　时间常数由下列因素决定:1)热电偶的几何参数V.A;2)热电偶的物性参数ρ、cp;3)热电偶与被测介质间的对流换热系数h。所以,热电偶时间常数既与自身特性有关,也与被测对象特性有关。
由式(3)得热电偶的阶跃响应:
 
　　式中:T为热电偶指示温度,T0为初始温度,T。为温度阶跃后的终值,Υ为时间常数,τ为热电偶对温度阶跃信号的响应时间。当t=Υ时,式(4)变为:
 
(5)可以看出,热电偶指示温度T与初始温度T。的差值(T-T0)达到温度阶跃量(Te-T0)的0.632倍时所需的时间就是时间常数τ。此即为时间常数的通常定义,同时也说明了用实验测量热电偶时间常数的方法:给热电偶结头加热的热源需要瞬时加热和冷却,使热电偶结头处产生瞬时温度阶跃变化,绘制出其响应曲线,通过作图直接读出0.632(Te-T0)与T。所对应的测试时间差即为热电偶时间常数τ。图1所示为在前述假设的--阶系统条件下,热电偶对阶跃温度的响应曲线,可以看出只要在响应曲线上得到T0、Te、0.632(Te-T0),那么时间常数τ可直接得到。
 
3实验方法
3.1热电偶的制作
　　热电偶的时间常数与自身几何参数间有很大关系,其热接点越小、热惯性就越小、响应速度越快、反应也越灵敏。实验中所用的热电偶由直径为0.05mm的微细铜/康铜丝制成(图2)。首先将两种偶丝绞接，并拧成麻花状，完成后用剪刀将端部裁剪齐整，铰接段越短越好;然后采用可控脉冲放电装置进行焊接，焊接时拧制处将形成热接点;最后将焊接点置于数字显微放大镜下，通过计算机屏幕，从多角度观察焊接点是否牢固、光滑、形状是否满足要求，否则重复上述过程，直到满足要求。焊接时应尽量使热电偶焊接点呈微小的光滑圆球状,并且越小越好。由于焊接效果的好坏直接关系到热电偶的质量和可靠性，所以在热电偶的整个制作过程中，一定要细心和耐心。
 
3.2标定方法
　　要想测量毫秒量级或微秒量级热电偶的时间常数，要求加热(或冷却)产生的瞬时温度阶跃上升(或下降)时间远小于热电偶的时间常数,这样才能使测量的结果具有较高的正确性和可靠性。热电偶时间常数测试系统如图3所示。由于激光具有能量高、传速快方向性强等特性，故加热热源采用一-波长为650nm的普通红光激光器，功率为1W。功率场效应管的响应速度可达到5μs,因此采用功率场效应管作为电子开关控制激光器的通断电速度。丹麦B&K公司的高速数据采集器3560C集滤波与放大功能于一身20，自带的7700平台软件，可直接用于热电偶测温,不用再单独设计放大电路和滤波电路，因此可快速采集到实验的热电势值，其采样频率最大可达到25.6kHz,完全能够反映并采集热电偶对阶跃温度的响应情况，故在测量过程中使用高速数据采集器记录响应信号。工作过程是:在实验开始前，首先将已静态标定好的自制热电偶置于稳定的室温气流中，对激光调焦，使其焦点恰好对准热电偶测量端并固定，然后将热电偶另一端置于冰水浴中作为参考端。先后开启高速数据采集器和单片机电源，通过高速数采记录热电偶在升降温过程对阶跃温度的响应信号，在计算机上处理数据获得热电偶对阶跃温度的响应曲线，进而得到其时间常数。
 
　　电子开关的设计原理是:利用单片机控制输出高电平时,电子开关断开，激光器不工作;输出为低电平时,电子开关闭合，激光器立即工作。为记录热电偶在产生阶跃温度前的初始温度信号，单片机在输出低电平之前，持续输出一段高电平。因此在单片机开始工作之前先开启高速数据采集器记录初始温度信号，然后开启单片机控制电子开关闭合让激光器立即工作，高速数据采集器连续采集热电偶从初始温度开始到产生阶跃温度后整个过程的响应信号121。此外，在温度阶跃量的设置以及阶跃温度响应终止点的选取上还应注意,因为二者大小的确定将直接影响到τ值,按之前假设的一阶系统响应特性模型,可知温度阶跃与激光器加热时间的关系,当t=5τ时，(T-T0)/(Te-T0)=0.993,故当t≥5τ时,可认为T=Te,即激光加热时间在5τ以后阶跃温度趋于达到稳态。所以,想要得到时间常数τ的值,则热电偶加热的终止时间应为热电偶时间常数的5倍以上。
4实验结果及分析
　　图4所示为实验测得的自制Cu/CuNi小惯性热电偶对阶跃温度的响应曲线。从图4中可以看出,热电势随时间的变化响应曲线可分为3个阶段:上升段为加热阶段、水平段为动态热平衡阶段、下降段为冷却阶段。在加热段,热电偶在激光光束的加热作用下,热接点吸收的热量大于自身向外辐射和自然对流损失的热量,热接点温度迅速升高产生正阶跃温度;在热平衡段,热电偶接点吸收的激光光束能量等于自身散失的能量,热电偶的温度维持在一稳定值;在冷却段,激光光束停止加热,热电偶通过自身向外辐射和自然对流作用散热,温度降低,直至达到环境温度,产生负阶跃温度。根据图形数据,波形电压幅值为13.8mV,此时阶跃温度达到318C,从得到的响应曲线上可直接读出τ值，即在该状态下正温度阶跃时热电偶响应时间约为118.8ms,负温度阶跃时热电偶响应时间约为115.2ms。
 
　　对同一根热电偶进行多次实验,测出每次被测热电偶的时间常数τ,取平均值`τ作为该热电偶时间常数的真值,用标准差σ表示每次测量结果间的离散程度,热电偶的动态重复性用标准差与平均值之比的百分数Rd来表征;用不确定度U来表征实验结果的可信赖度,包括A类不确定度和B类不确定度。其中A类不确定度UA由σ组成,B类不确定度UB主要由高速数采和电子开关引起,各计算公式如下:
 
　　对自制的同一热电偶进行了3次测试,在温度的正阶跃阶段的结果分别为:120.6、118.4、117.4ms。将测试结果代人，上述各式中,有`τ=118.8ms,σ≈1.64ms,Rd=0.11%，U≈1.64ms。由测量结果的平均值和不确定度,得出该热电偶的时间常数:`τ=(118.8±1.64)ms。在温度的负阶跃阶段结果分别为:115.2、112.3、116.9ms,同理得到在负阶跃时该热电偶的时间常数τ=(114.8±2.33)ms。上述结果表明,即使是同一热电偶，在同一次测量过程中温度的正、负阶跃阶段,其时间常数值也不相同。该现象主要是由热电偶热接点与周围环境换热条件不同造成的。在温度的正阶跃阶段,热电偶受激光光束加热、自然对流和自身向外辐射散热的共同作用,该散热(尤其是辐射散热)在温度较低时并不明显,所以此阶段开始时温升很快，曲线值急剧增加,但当散热达到与加热热量快相同的数量级时,减缓了热接点温度升高的趋势,直至加热量等于散热量，此时热电偶温度达到动态平衡状态;而在随后温度的负阶跃阶段热电偶仅受自然对流和自身向外辐射的散热作用,在此阶段初始时刻热电偶温度较高,散热量(主要是辐射散热量)较大,温度急剧下降,随后趋势逐渐减缓直至达到环境温度,在该过程中温度随时间呈指数规律递减。整个测量过程中,单位时间内热电偶热接点在正阶跃阶段叠加后的平均加热量稍小于负阶跃阶段的平均散热量,使得正阶跃阶段比负阶跃阶段达到热平衡态的时间稍晚些，导致正阶跃阶段的时间常数稍大于负阶跃时的时间常数。.
5结论
　　借助数字显微放大镜制成了直径为0.05mm的微细铜/康铜丝热电偶,其响应时间达到毫秒级;
　　利用单片机、电子开关、小型红外激光器获得了较为理想的正、负阶跃温度,利用高速数据采集器快速采集到实验数据。该方法对快速响应热电偶的时间常数进行测量,结果可靠、设备简单、费用低廉,实用性较好。因此,该方法对于解决快速响应热电偶时间常数的测量问题具有较大的实用价值。