劉宗瑞，咸婉婷，劉志遠(yuǎn)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

對(duì)大型船舶發(fā)動(dòng)機(jī)中各裝配件狀態(tài)監(jiān)測(cè)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其中對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪咬合接觸面溫度就是非常重要的一個(gè)指標(biāo)［1］。常用的測(cè)溫傳感器有熱電偶和熱敏電阻器，其中，熱電偶具有響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)溫范圍寬、上限高等特點(diǎn)［2］。測(cè)量齒輪咬合面的溫度最重要的就是傳感器的小型化和快速的響應(yīng)能力，因?yàn)樵诠ぷ鼾X輪間留給溫度傳感器安裝的空間已經(jīng)非常小，而且高速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪，2個(gè)齒咬合時(shí)間一般不超過幾十毫秒，如果沒有足夠的響應(yīng)速度，根本無法準(zhǔn)確反映真實(shí)齒面溫度。所以，需選用小型化且響應(yīng)時(shí)間快的溫度傳感器來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量［3］。

目前，對(duì)于溫度傳感器靜態(tài)特性的測(cè)試較為多見，如測(cè)量精度與測(cè)量范圍［4］。而對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試則不是很多，主要是一些高校從理論角度的一些推導(dǎo)［5］，對(duì)于實(shí)際測(cè)量只能提供理論依據(jù)，國(guó)外對(duì)于溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量比較主流的方法是利用激光激勵(lì)溫度傳感器產(chǎn)生階躍信號(hào)，得到相應(yīng)溫度曲線再進(jìn)行計(jì)算［6］。該方法成本高且設(shè)備操作復(fù)雜。

本文以熱電偶作為對(duì)象，設(shè)計(jì)了測(cè)量其動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、可靠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試。

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是傳感器隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，表征了測(cè)量溫度對(duì)實(shí)際溫度跟蹤的緊密程度，主要參數(shù)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試時(shí)，選用階躍信號(hào)，將熱電偶的動(dòng)態(tài)特性看成一階慣性環(huán)節(jié)，溫度傳感器則作為一階線性測(cè)量器件［7］，其工作狀態(tài)用微分方程表示為

式中 τ為溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，Ti為待測(cè)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，T為溫度傳感器所指示的溫度函數(shù)，也就是記錄儀器得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如τ過大，顯然T≠Ti存在動(dòng)態(tài)誤差。

溫度傳感器的響應(yīng)曲線如圖1所示，動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)設(shè)定在全量程的63.2%處，其中，X為溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間［7］。

圖1 溫度傳感器響應(yīng)曲線Fig 1 Response curve of temperature sensor

1.1 測(cè)試系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

對(duì)接觸式溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，其整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包括一套機(jī)械裝置、熱電偶、控制系統(tǒng)、接口電路及應(yīng)用LabVIEW平臺(tái)編制的配套軟件。其中，控制系統(tǒng)則包括自帶控制器的cRIO NI—9074及其配套數(shù)據(jù)采集卡NI—9223、數(shù)字 I/O 卡 NI—9403。

通過數(shù)字I/O卡控制電磁閥來控制系統(tǒng)機(jī)械裝置，使其觸發(fā)，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)對(duì)溫度傳感器的輸出進(jìn)行采集，采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過應(yīng)用軟件計(jì)算得出時(shí)間常數(shù)并顯示和儲(chǔ)存。測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示［8］。

圖2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of dynamic response detecting system

1.2 測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械裝置

測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械裝置如圖3所示，由固定支架、窄帶光電開關(guān)和擋光片、電磁閥控制銷、活動(dòng)平臺(tái)及連桿、彈簧等部分組成。

活動(dòng)平臺(tái)用于固定溫度傳感器和簡(jiǎn)單的測(cè)量電路，由連桿負(fù)責(zé)帶動(dòng)傳感器快速投入水中。銷子由電磁閥控制，通電吸合，斷電釋放。頂端軟絲可調(diào)，調(diào)整彈簧松緊度。窄帶光電開關(guān)用于測(cè)量傳感器入水速度，當(dāng)擋光片切割光電開關(guān)時(shí)，產(chǎn)生2個(gè)脈沖，根據(jù)脈沖時(shí)間間隔可計(jì)算得到入水速度。

初始狀態(tài)時(shí)，銷子插入連桿側(cè)面楔口，固定連桿，壓緊彈簧。測(cè)試開始時(shí)，由計(jì)算機(jī)啟動(dòng)脈沖，電磁閥通電吸合，銷子被吸出，活動(dòng)連桿在自身重力和彈簧彈力的作用下，帶動(dòng)平臺(tái)上的溫度傳感器一起向下運(yùn)動(dòng)，使得溫度傳感器可以迅速插入水中。

1.3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用LabVIEW編程語(yǔ)言在Windows XP環(huán)境下構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。

軟件界面提供參數(shù)設(shè)置和啟動(dòng)及停止按鍵，通過配置數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字I/O卡，實(shí)現(xiàn)電磁閥的控制，并控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后，軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)顯示、存儲(chǔ)等功能。軟件原理框圖如圖4所示，分為數(shù)據(jù)采集子程序和繼電器控制子程序2個(gè)部分，分別實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)測(cè)量和機(jī)械裝置控制［9］。

圖3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械裝置示意圖Fig 3 Schematic diagram of mechanical device of dynamic response detecting system

圖4 軟件原理框圖Fig 4 Principle block diagram of software

其中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間計(jì)算部分的程序如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間計(jì)算程序Fig 5 Program of dynamic response time calculating

2 系統(tǒng)測(cè)量誤差分析

2.1 液面上方溫場(chǎng)的影響

傳感器在落入水中之前有一段行程，該行程內(nèi)空氣與恒溫水有對(duì)流換熱過程。因此，溫度傳感器在入水時(shí)的溫度值不是常溫，必然受到液面上方溫場(chǎng)的影響。

傳感器的瞬態(tài)能量平衡方程

式中Tg和Tj分別為介質(zhì)和傳感器瞬態(tài)溫度，h為氣體與傳感器之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，ρ，V，CP，A分別為溫度傳感器的密度、體積、比熱和表面積，t為時(shí)間。

根據(jù)上式，ρ，V，CP，A與傳感器有關(guān)，當(dāng)傳感器固定，可以認(rèn)為這4個(gè)參量為常數(shù)。Tj為傳感器瞬態(tài)溫度，是液面上方溫場(chǎng)與傳感器進(jìn)行熱量交換后傳感器入水臨界狀態(tài)的溫度值。Tg為液面上方溫度，該溫度為氣體距液面高度的函數(shù)，即溫場(chǎng)分布函數(shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與介質(zhì)及溫場(chǎng)分布有關(guān)，在測(cè)試環(huán)境中，可以認(rèn)為介質(zhì)系數(shù)為常數(shù)，即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只與溫場(chǎng)分布有關(guān)［10］。

在實(shí)際測(cè)試過程中，溫場(chǎng)分布由標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)流換熱現(xiàn)象較為復(fù)雜，要降低其影響主要采用以下2種方法:

1）減少運(yùn)行時(shí)間:假設(shè)水面上方行程很小，傳感器在空氣溫場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短，此時(shí)即使傳感器吸熱，溫度升高，溫度升高值與恒溫槽中液體溫度值相差不少于20℃，依然可以視為階躍溫度。傳感器入水前下落產(chǎn)生的溫升可忽略。

2）降低溫場(chǎng)的影響:在恒溫水槽敞開式的環(huán)境中，如果無法滿足傳感器在空氣溫場(chǎng)中運(yùn)行時(shí)間短的條件，空氣溫場(chǎng)對(duì)傳感器影響較大，無法形成階躍溫升，傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果不明顯，需要改進(jìn)方法?？煽紤]在恒溫液面上方加一層隔熱膜，隔絕液面和空氣，隔熱膜上方溫度基本為常溫。這樣即降低了溫場(chǎng)的影響，也縮短了傳感器的行程。

2.2 入水過程的影響

從傳感器接觸水面至完全沒入水中，傳感器已經(jīng)開始與水進(jìn)行熱量交換，即響應(yīng)曲線的起點(diǎn)。如果傳感器入水時(shí)間t很短，小于待測(cè)時(shí)間常數(shù)的10%，則可以忽略這段時(shí)間的影響，時(shí)間常數(shù)起點(diǎn)定為傳感器完全沒入水中那一時(shí)刻。

測(cè)試中傳感器完全沒入水中時(shí)間越短，溫度階躍越明顯，因此，要求傳感器入水具有一定速度。設(shè)傳感器直徑0.2 mm，時(shí)間常數(shù)10 ms，則入水時(shí)間應(yīng)小于1 ms，入水速度應(yīng)至少為5 m/s。因此，需要用光電測(cè)試平臺(tái)對(duì)傳感器入水速度進(jìn)行標(biāo)定。

2.3 熱容量影響

所用的恒溫水槽具有足夠大的熱容量，這樣溫度傳感器放入后不致破壞原來的恒溫條件。要求試驗(yàn)前后，溫度變化小于0.1℃。

在恒容條件下，根據(jù)能量守恒定理，傳感器入水的吸收的熱量應(yīng)該等于恒溫水槽釋放的熱量。由熱容計(jì)算公式

其中，ms和mw分別為傳感器和水的質(zhì)量;cS和cw分別為傳感器和水的比熱容;ΔTs和ΔTw分別為傳感器和水在熱量交換穩(wěn)定后溫度變化量［10］。

由于傳感器型號(hào)不同、護(hù)管材料不同，比熱容不同，需要根據(jù)測(cè)試具體檢定。

采用K型熱電偶，其上限比熱容約為900 J/（kg·K），護(hù)管為橡膠，上限比熱容約為1 800 J（kg·K），熱電偶與護(hù)管質(zhì)量比為1∶2，總質(zhì)量約為5g，傳感器溫度變化范圍為由20～80℃，恒溫水槽中水的體積為15 L，則傳感器比熱容為

因傳感器投入而水溫下降的幅度為（單位為℃）

由式（5）可得，裝置受到熱容量變化影響所引起的溫降可以忽略不計(jì)。

3 試驗(yàn)

選用偶絲直徑為Φ0.08 mm的相同批次K型熱電偶2支、偶絲直徑為Φ0.02mm的相同批次K型熱電偶2支作為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)分為6個(gè)步驟進(jìn)行:

1）將1只溫度傳感器裝入測(cè)試裝置，并置于室溫（20±5）℃環(huán)境中，在此環(huán)境下持續(xù)20 min以待溫度傳感器溫度穩(wěn)定;

2）設(shè)置恒溫水槽的溫度（不低于80℃），待其穩(wěn)定約30 min;

3）將試驗(yàn)參數(shù)輸入至軟件對(duì)應(yīng)位置，包括室溫測(cè)量值、水溫測(cè)量值，并設(shè)置采樣率（不小于10 kHz）;

4）啟動(dòng)操作按鈕，此時(shí)機(jī)械裝置將溫度傳感器迅速投入恒溫水槽預(yù)留的投射區(qū)內(nèi)，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄波形;

5）測(cè)試結(jié)束后，將溫度傳感器從水中提出，恢復(fù)到初始狀態(tài);

6）存儲(chǔ)波形并記錄界面顯示的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

按照以上步驟進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，水溫設(shè)定為80℃，采樣率設(shè)置為500 kHz，得到的溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖6～圖7所示。

圖6 熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)曲線Fig 6 Curve of thermocouple dynamic response experiment

將熱電偶按同一種類分別進(jìn)行3次試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)溫度曲線和數(shù)據(jù)得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間結(jié)果如表1、表2。

表1 熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental datas of thermocouple dynamic response

試驗(yàn)結(jié)果表明:熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到ms級(jí)，在2種熱電偶中，偶絲直徑為Φ0.02 mm的K型熱電偶動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于偶絲直徑為Φ0.08 mm的K型熱電偶。測(cè)試系統(tǒng)軟硬件均可正常運(yùn)行并能夠準(zhǔn)確控制機(jī)械裝置動(dòng)作，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)ms級(jí)測(cè)試，符合對(duì)熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)接觸式溫度傳感器熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試，利用cRIO硬件平臺(tái)與LabVIEW軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過程的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)引起系統(tǒng)測(cè)量誤差的主要因素進(jìn)行了分析，結(jié)合理論模型給出了計(jì)算公式與補(bǔ)償方案。系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明:本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)ms級(jí)測(cè)試，可滿足對(duì)響應(yīng)時(shí)間較快的熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試需要。

［1］孫雪萌，羅果安.測(cè)量動(dòng)態(tài)溫度的快速響應(yīng)方法［J］.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2011（1）:16-18.

［2］王代華，宋林麗，張志杰.基于鎢錸熱電偶的接觸式爆炸溫度測(cè)試方法［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2012（3）:23-25.

［3］王飛躍.熱電偶傳感器信號(hào)調(diào)理與數(shù)字采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.太原:中北大學(xué)，2013.

［4］申國(guó)清，郝曉劍，姜三平.分析法的瞬態(tài)高溫外推實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程與試驗(yàn)，2010（1）:11-13.

［5］方立德，張計(jì)科.K型熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2010（11）:18-19.

［6］Abdulhay B，Bourouga B，Dessain C.Experimental and theoretical study of thermal aspects of the hot stamping process［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31:674-685.

［7］Bok H，Lee M，Kim H，et al.Thermo-mechanical finite element analysis incorporating the temperature dependent stress-strain response of low alloy steel for practical application to the hot stamped part［J］.Metals Mater Int，2010，26（4）:185-190.

［8］Heichal Y，Chandra S，Bordatchev E.A fast-response thin film thermocouple to measure rapid surface temperature changes［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2005，30:153-159.

［9］Kohout S，Roos J，Keller H.Automated operation of a homemade torque magnetometer using LabVIEW［J］.Measurement Science and Technology，2005，16:2240-2246.

［10］Susa D，Lehtonen M，Nordman H.Dynamic thermal modeling of distribution transformers［J］.IEEE Trans on Power Del，2005，10（8）:194-204.