劉宗瑞，咸婉婷，劉志遠(yuǎn)

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

0 引言

對大型船舶發(fā)動機(jī)中各裝配件狀態(tài)監(jiān)測直接影響到發(fā)動機(jī)的性能與正常運轉(zhuǎn)，其中對運轉(zhuǎn)齒輪咬合接觸面溫度就是非常重要的一個指標(biāo)［1］。常用的測溫傳感器有熱電偶和熱敏電阻器，其中，熱電偶具有響應(yīng)時間快、測溫范圍寬、上限高等特點［2］。測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，因為在工作齒輪間留給溫度傳感器安裝的空間已經(jīng)非常小，而且高速運轉(zhuǎn)的齒輪，2個齒咬合時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)確反映真實齒面溫度。所以，需選用小型化且響應(yīng)時間快的溫度傳感器來對目標(biāo)進(jìn)行測量［3］。

目前，對于溫度傳感器靜態(tài)特性的測試較為多見，如測量精度與測量范圍［4］。而對其動態(tài)響應(yīng)特性的測試則不是很多，主要是一些高校從理論角度的一些推導(dǎo)［5］，對于實際測量只能提供理論依據(jù)，國外對于溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)測量比較主流的方法是利用激光激勵溫度傳感器產(chǎn)生階躍信號，得到相應(yīng)溫度曲線再進(jìn)行計算［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象，設(shè)計了測量其動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了準(zhǔn)確、可靠的動態(tài)響應(yīng)測試。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計

動態(tài)響應(yīng)特性是傳感器隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性，表征了測量溫度對實際溫度跟蹤的緊密程度，主要參數(shù)為動態(tài)響應(yīng)時間。在進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)測試時，選用階躍信號，將熱電偶的動態(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為溫度傳感器的時間常數(shù)，可通過實驗測定，Ti為待測溫度隨時間的變化規(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驗結(jié)果。如τ過大，顯然T≠Ti存在動態(tài)誤差。

溫度傳感器的響應(yīng)曲線如圖1所示，動態(tài)響應(yīng)測試點設(shè)定在全量程的63.2%處，其中，X為溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)時間［7］。

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

1.1 測試系統(tǒng)電氣設(shè)計

對接觸式溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間進(jìn)行測試，其整個測試系統(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)采集卡實時對溫度傳感器的輸出進(jìn)行采集，采集到的測試數(shù)據(jù)經(jīng)過應(yīng)用軟件計算得出時間常數(shù)并顯示和儲存。測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示［8］。

圖2 動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of dynamic response detecting system

1.2 測試系統(tǒng)機(jī)械裝置

測試系統(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、活動平臺及連桿、彈簧等部分組成。

活動平臺用于固定溫度傳感器和簡單的測量電路，由連桿負(fù)責(zé)帶動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)用于測量傳感器入水速度，當(dāng)擋光片切割光電開關(guān)時，產(chǎn)生2個脈沖，根據(jù)脈沖時間間隔可計算得到入水速度。

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

1.3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

軟件界面提供參數(shù)設(shè)置和啟動及停止按鍵，通過配置數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字I/O卡，實現(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，軟件對采集數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)顯示、存儲等功能。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個部分，分別實現(xiàn)傳感器輸出信號測量和機(jī)械裝置控制［9］。

圖3 動態(tài)響應(yīng)測試系統(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，動態(tài)響應(yīng)時間計算部分的程序如圖5所示。

圖5 動態(tài)響應(yīng)時間計算程序Fig 5 Program of dynamic response time calculating

2 系統(tǒng)測量誤差分析

2.1 液面上方溫場的影響

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

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個參量為常數(shù)。Tj為傳感器瞬態(tài)溫度，是液面上方溫場與傳感器進(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)，即溫場分布函數(shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與介質(zhì)及溫場分布有關(guān)，在測試環(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)只與溫場分布有關(guān)［10］。

在實際測試過程中，溫場分布由標(biāo)準(zhǔn)溫度計進(jìn)行標(biāo)定。對流換熱現(xiàn)象較為復(fù)雜，要降低其影響主要采用以下2種方法:

1）減少運行時間:假設(shè)水面上方行程很小，傳感器在空氣溫場中運動時間很短，此時即使傳感器吸熱，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中運行時間短的條件，空氣溫場對傳感器影響較大，無法形成階躍溫升，傳感器的動態(tài)響應(yīng)效果不明顯，需要改進(jìn)方法。可考慮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。如果傳感器入水時間t很短，小于待測時間常數(shù)的10%，則可以忽略這段時間的影響，時間常數(shù)起點定為傳感器完全沒入水中那一時刻。

測試中傳感器完全沒入水中時間越短，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，時間常數(shù)10 ms，則入水時間應(yīng)小于1 ms，入水速度應(yīng)至少為5 m/s。因此，需要用光電測試平臺對傳感器入水速度進(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］。

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

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。

3 試驗

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支作為試驗對象，試驗分為6個步驟進(jìn)行:

1）將1只溫度傳感器裝入測試裝置，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）將試驗參數(shù)輸入至軟件對應(yīng)位置，包括室溫測量值、水溫測量值，并設(shè)置采樣率（不小于10 kHz）;

4）啟動操作按鈕，此時機(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)，同時測試系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，實時記錄波形;

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

6）存儲波形并記錄界面顯示的動態(tài)響應(yīng)時間。

按照以上步驟進(jìn)行實際測試，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態(tài)響應(yīng)試驗結(jié)果曲線如圖6～圖7所示。

圖6 熱電偶動態(tài)響應(yīng)試驗曲線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，根據(jù)試驗溫度曲線和數(shù)據(jù)得到動態(tài)響應(yīng)時間結(jié)果如表1、表2。

表1 熱電偶動態(tài)響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental datas of thermocouple dynamic response

試驗結(jié)果表明:熱電偶的動態(tài)響應(yīng)時間可達(dá)到ms級，在2種熱電偶中，偶絲直徑為Φ0.02 mm的K型熱電偶動態(tài)性能優(yōu)于偶絲直徑為Φ0.08 mm的K型熱電偶。測試系統(tǒng)軟硬件均可正常運行并能夠準(zhǔn)確控制機(jī)械裝置動作，系統(tǒng)可實現(xiàn)ms級測試，符合對熱電偶動態(tài)響應(yīng)特性的測試要求。

4 結(jié)論

本文對接觸式溫度傳感器熱電偶的動態(tài)響應(yīng)測試技術(shù)進(jìn)行了研究并設(shè)計了測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對熱電偶動態(tài)響應(yīng)特性的測試，利用cRIO硬件平臺與LabVIEW軟件平臺實現(xiàn)整個測試過程的控制和測試數(shù)據(jù)的采集，并對引起系統(tǒng)測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算公式與補(bǔ)償方案。系統(tǒng)試驗結(jié)果表明:本文所設(shè)計的動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)可實現(xiàn)ms級測試，可滿足對響應(yīng)時間較快的熱電偶動態(tài)響應(yīng)特性的測試需要。

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