熱電偶溫度傳感器動態響應特性研究

張根甫郝曉劍桑 濤李巖峰

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

熱電偶溫度傳感器動態響應特性研究

張根甫1，2，郝曉劍1，2，桑 濤1，2，李巖峰1，2

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

激勵階躍溫度信號作用在熱電偶偶結的起始時刻與熱電偶溫度傳感器響應起始時刻之間存在一定的延誤量，該量不同于熱電偶時間常數，量值大小不能通過時間常數表征，對熱電偶的動態特性具有較大影響。該文針對爆炸溫度場測試，采用丁烷火焰作為激勵源，配合快門以及擋板產生階躍溫度信號，實現在時間＜1s內產生的階躍溫度場溫度＞1000℃，通過設計制作激勵源監測模塊對該延誤量進行測試。對5種不同偶結的K型熱電偶溫度傳感器進行實驗，將測得的延誤量與時間常數對比，分析產生該延誤量的因素及其與時間常數的關系，為熱電偶溫度傳感器進行瞬態溫度信號測量時的選型及使用提供參考。

測試計量技術及儀器；動態特性；延誤量；熱電偶；時間常數

0 引 言

熱電偶溫度傳感器由于結構簡單、測溫范圍廣、準確度高而得到廣泛應用，伴隨著動態溫度測試需求的與日俱增，熱電偶溫度傳感器的動態特性已成為研究人員關注的焦點。通常使用時間常數表示熱電偶溫度傳感器動態響應速度的快慢，熱電偶溫度傳感器時間常數是指當其傳遞函數按一階處理時，熱電偶溫度傳感器輸出達到階躍溫度量63.2%所需要的時間。目前主要通過熱電偶溫度傳感器對階躍溫度的響應來測量時間常數，主要包括以下3種方法：激光調制法[1-4]、投入實驗法[5-6]、熱風洞法[7]。但是這些實驗均從熱電偶溫度傳感器對激勵階躍溫度信號響應曲線上直接獲取時間常數，并以此來評定熱電偶溫度傳感器的動態性能。在具體實驗過程中，發現激勵階躍溫度信號作用在熱電偶偶結的起始時刻與熱電偶溫度傳感器響應起始時刻存在一定延誤，通常把這一延誤稱為熱電偶溫度傳感器延誤量，該量不同于熱電偶時間常數，量值大小不能通過時間常數表征。如何測量和減少該延誤量對提高熱電偶溫度傳感器的動態性能有重要意義。

本文針對爆炸場溫度測試，提出采用丁烷火焰作為激勵源，盡可能模擬現場環境，通過在測試設備中添加激勵源監測模塊，進行多組對比試驗，實現對該延誤量與時間常數的測試，查找該延誤量與時間常數之間關系，分析延誤量的來源與影響因素，提出減少延誤量的相關措施，對于提高熱電偶溫度傳感器的動態響應速度和具體應用具有一定的參考價值。

1 熱電偶溫度傳感器延誤量

式中：T——熱電偶指示溫度；

T0——熱接點初溫；

Te——階躍溫度；

t——熱電偶對階躍溫度的響應時間；

根據式（1)、式（2)得出的熱電偶溫度傳感器動態響應曲線。熱電偶指示溫度按指數曲線上升，理論上時間到無窮時，才能達到階躍溫度，針對一次具體測試，通常采用從熱電偶輸出響應曲線上直接獲取時間常數，一般認為5倍的時間常數之后熱電偶與階躍溫度平衡。時間常數的計算公式如式（3)所示，其中t2為熱電偶指示溫度T與初始溫度之差T0達到63.2%溫度階躍量的時刻，t1為熱電偶響應起始時刻。

在具體實驗過程中熱電偶對階躍溫度信號的動態響應曲線，如圖1所示，激勵階躍溫度信號作用在熱電偶偶結的起始時刻與熱電偶溫度傳感器響應起始時刻存在一定延誤，把這一延誤稱為熱電偶溫度傳感器延誤量，用Δt表示，計算公式為

1.2.1 TVS檢查 儀器為西門子S2000和esaote MyLabClass C彩超診斷儀。需在月經期外實施檢查。檢查前告知患者排空膀胱，取截石位。將耦合劑涂抹于陰道探頭上并套置乳膠套，在患者宮頸表面或陰道彎隆部置入探頭，行多方面檢查，如縱切、橫切、斜切等，如患者子宮卵巢位置較高、存在明顯的腸氣干時，可適度加壓腹部，將檢查距離縮短，必要時可行經腹部超聲檢查。對子宮位置進行觀察，測量子宮內膜厚度以及上下徑、左右徑、前后徑，觀察子宮內腫物位置、形態和子宮內膜回聲、子宮形態、子宮肌壁回聲等。仔細觀察病變部位血流分布、雙側附件區等情況，并測量雙側卵巢大小。

圖1 熱電偶溫度傳感器動態響應曲線

因此，單從熱電偶溫度傳感器輸出響應曲線上直接獲取時間常數，而忽略該延誤量的存在，則測試結果對于熱電偶溫度傳感器動態特性的評定不夠客觀、全面。同時，在實際測量中可能造成無法真實反映輸入信號，導致測量失敗。

2 測試系統構成

針對以上問題，搭建如圖2所示的測試系統，由丁烷火焰、快門以及可移動隔熱擋板組成階躍溫度信號發生模塊。由于激勵源監測模塊頻響特性遠優于熱電偶溫度傳感器[8]，可將激勵源監測模塊的響應時刻作為階躍溫度作用在熱電偶偶結的起始時刻，由數據采集系統同時采集熱電偶溫度傳感器和激勵源監測模塊的輸出信號。

圖2 測試系統示意圖

具體測試過程如下：保持快門開啟，可移動隔熱擋板位于快門后部，丁烷氣噴槍位于快門前部，待丁烷火焰穩定，在移開可移動擋板的同時，關閉快門，待可移動擋板移除，快速打開快門。這樣，一方面可使快門受熱時間最短，避免損壞，另一方面可使熱電偶在受到階躍溫度之前可保持表面溫度穩定，快門再次開啟后受到的激勵溫度波動小?？梢苿訐醢宀捎媚透邷?、隔熱的材料。由于快門開啟時間＜1s，丁烷氣噴槍火焰溫度＞1000℃，可以認為在熱電偶溫度傳感器表面產生階躍溫度激勵?？扉T再次開啟后，熱電偶和激勵源監測模塊同時受到丁烷火焰的激勵，激勵源監測模塊響應較快（μs級)，故可將激勵源監測模塊的響應時刻作為階躍溫度信號起始時刻t′1。數據采集系統同時采集熱電偶和激勵源監測模塊的輸出信號，確定熱電偶溫度傳感器響應起始時刻t1及熱電偶溫度傳感器指示溫度T與初始溫度T0之差達到63.2%溫度階躍量的時刻t2，進而計算延遲量Δt和時間常數。

對比測試過程保持熱電偶溫度傳感器偶結與丁烷火焰發生裝置相對位置固定，使用丁烷火焰穩定部分均勻覆蓋熱電偶溫度傳感器偶結，同時保證火焰大小固定。

2.1 階躍溫度信號發生模塊

測試裝置中使用的丁烷火焰大小可自由調節，實物圖如圖3所示，通過熱電偶實測得到火焰最高溫度為1200℃?；鹧娼咏芸诓糠种睆郊s2cm，可較好覆蓋熱電偶溫度傳感器偶結。使用紅外熱像儀對丁烷火焰進行拍攝，所得圖像如圖4所示，發現火焰接近管口部分溫度變化小。同時，這部分火焰抖動小，較為穩定。因此，在測試過程中使用接近管口的火焰，可使熱電偶溫度傳感器偶結處于穩定的溫度場。

2.2 激勵源監測模塊

圖3 丁烷火焰實物圖

圖4 丁烷火焰熱像儀圖

激勵源監測模塊由探測器及其信號調理電路組成。由于激勵源監測模塊需響應丁烷火焰，因此首先要確定丁烷火焰光譜分布范圍[9]。采用海洋光學USB 4000光譜儀測量丁烷火焰光譜分布，其光譜響應范圍200～1000nm，具有4種觸發模式，16位A/D轉換，測得丁烷火焰光譜分布如圖5所示，發現丁烷火焰光譜主要分布在480～580nm之間，峰值波長為518.58nm，但強度較弱。根據丁烷火焰的光譜分布范圍，選定SIEMENS公司BPW21硅光電二極管作為探測器，其光譜響應相對靈敏度如圖6所示，光譜響應度0.34A/W（波長為550nm)，峰值響應波長550nm，光譜響應范圍350～820nm與丁烷火焰匹配較好，上升時間1.5μs。

圖5 丁烷火焰光譜分布

圖6 探測器光譜響應相對靈敏度

該探測器既能在反向偏置電壓的光電導模式下工作，也能在零偏置電壓下的光電模式下工作。其中光電導模式可提供較高的速度，適用于高速場合，因此本電路采用光電導模式[10]。在電路設計時應注意反偏電壓的幅值與連接方法，以及探測器的結電容與負載電阻并聯所決定的電路的時間常數[11]。

3 測試結果分析

實驗選用5種不同偶結的K型熱電偶溫度傳感器，編號依次為1#～5#，如圖7所示。其中，1#～3#號熱電偶帶有保護套，但保護套的外形與材料不同，4#和5#熱電偶偶結裸露，但偶結形狀不同。在相同工況下進行測試，測試波形圖依次如圖8～圖12所示。圖中，曲線1為熱電偶響應曲線，曲線2為激勵源監測模塊響應曲線為階躍溫度起始時刻，t1為熱電偶響應起始時刻，t2為熱電偶溫度傳感器指示溫度T與初始溫度T0之差達到溫度階躍量的63.2%的時刻。其中，在圖11與圖12中，曲線2逐漸上升是由于隨著熱電偶偶結溫度升高，偶結熱輻射增強造成的。

圖7 熱電偶偶結外形與編號

圖8 1#熱電偶測試波形圖

圖9 2#熱電偶測試波形圖

圖10 3#熱電偶測試結果波形圖

圖11 4#熱電偶測試結果波形圖

測試結果如表1所示，發現延誤量Δt所占時間常數 的百分比最大為8.8%，最小為4.4%，具有一定的分散性。將帶保護套與偶結裸露的熱電偶進行對比，發現延誤量Δt占時間常數 比例的大小與有無保護套不相關，不能簡單認為偶結裸露的熱電偶延誤量Δt占時間常數 比值小于帶保護套的。

圖12 5#熱電偶測試結果波形圖

表1 5種熱電偶測試數據表

該延誤量的存在是因為熱能首先與熱電偶偶結表面膜層作用，而后通過表面膜層將熱能傳導至熱電偶偶結產生塞貝克效應，熱電偶響應輸出。通過對比試驗發現熱電偶偶結表面情況對該延遲量影響很大，如有無保護套、表面粗糙度、表面形狀等。同時，溫度場差異以及溫度場與熱電偶偶結之間的介質對該延誤量也有較大影響。對于航空發動機尾焰、爆炸溫度場等復雜環境的瞬態溫度的測試，在進行測量儀器選型時不僅要考慮熱電偶溫度傳感器時間常數，也需考慮這個響應延誤量，在不破壞溫度場的情況下,應盡量減少該延誤量，例如在熱電偶偶結處添加抽氣裝置等，否則可能造成測試結果失真，不能真實反映被測溫度信號。

4 結束語

本文對K型熱電偶溫度傳感器的動態特性進行研究，在時間常數測試中添加激勵源監測模塊，對激勵階躍溫度信號作用在熱電偶偶結的起始時刻與熱電偶溫度傳感器響應起始時刻之間存在的延誤量測試，通過多組對比試驗，測得該延誤量，并指出該延誤量與時間常數的關系，探討了產生該延誤量的原因，分析主要影響因素，并提出減少該延誤量的相關措施，為改進熱電偶溫度傳感器的動態特性提供了參考。

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Study on the dynamic response of thermocouple temperature sensor

ZHANG Genfu1，2，HAO Xiaojian1，2，SANG Tao1，2，LI Yanfeng1，2
（1.National Key LAB For Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In this paper it has pointed out that there is a delay amount between the starting time of the incentive step temperature signal and the response time of the temperature sensor.The delay amount is different from the thermocouple time constant.It can not be characterized by the time constant and greatly affects the dynamic characteristics of the thermocouple.According to the specific application background，butane flame was used as an excitation source with the shutter and baffle to generate step temperature signals so as to reach a step temperature higher than 1000℃ within 1s.An incentive source monitoring module was designed to test the delay and 5 kinds of K type thermocouples with different thermocouple junctions.The relationship between the factor of the delay and the time constant was analyzed，which provided a reference for the selection and application of the temperature sensor to measure the transient temperature signal.

measurement technology and instrument；dynamic characteristics；delay amount；thermocouple；time constant

A

：1674-5124（2015）10-0068-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.015

2015-06-05；

：2015-07-13

國家自然科學基金項目（61473267)國防基礎科研資助項目（JSJC2013408C009)

張根甫（1990-)，男，河南平頂山市人，碩士研究生，專業方向為動態測試與光電儀器方面研究與應用。