段向港, 郝曉劍,2*

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051; 2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

引 言

熱電偶由于性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)耐用和測(cè)溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域，其測(cè)量結(jié)果及精度與熱電偶的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。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)其準(zhǔn)確測(cè)量尤為重要[1 -4]。傳統(tǒng)的投入實(shí)驗(yàn)法、熱風(fēng)洞法具備操作方便、可重復(fù)度高的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在機(jī)械結(jié)構(gòu)速度慢，會(huì)產(chǎn)生人為的不可避免誤差等一系列缺點(diǎn)[5-6]。激光是一種特殊的可控電磁波，TASHIRO等學(xué)者首次將其用于傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)中[7]，其后WANG，YANG等人不斷完善測(cè)試?yán)碚?，為熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)量提供了一種新的測(cè)試方法[8-9]。激光具有能量極高(通過(guò)光學(xué)聚焦，匯聚一點(diǎn)的激光能量可大于1012W/cm2)、上升時(shí)間短等顯著優(yōu)點(diǎn)，采用激光激勵(lì)熱電偶可獲得較為理想的階躍溫升信號(hào)，保證了熱電偶的均勻加熱[10]。

本文中采用上升時(shí)間5μs、功率500W的大功率半導(dǎo)體激光器，分析了測(cè)試熱電偶時(shí)間常數(shù)的理論基礎(chǔ)，采用反饋控制激光功率的方法，產(chǎn)生穩(wěn)定的階躍溫升信號(hào)，通過(guò)限定激光器功率大小，成功測(cè)量出OMEGA公司的4支熱電偶的時(shí)間常數(shù)，為準(zhǔn)確測(cè)量熱電偶的時(shí)間常數(shù)提供參考[11-14]。

1 熱電偶時(shí)間常數(shù)的理論基礎(chǔ)

由于影響熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試的因素很多且復(fù)雜，這些因素不能量化用于公式推導(dǎo)，因此難以用理論計(jì)算的方法獲得準(zhǔn)確的數(shù)值[15-16]。通常采用實(shí)驗(yàn)法得到熱電偶時(shí)間常數(shù)，把熱電偶傳遞函數(shù)按照一階系統(tǒng)處理，給予一個(gè)溫度階躍信號(hào)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，當(dāng)熱電偶吸熱與散熱達(dá)到一個(gè)平衡時(shí)，從響應(yīng)曲線上直接獲取，響應(yīng)曲線如圖1所示。

Fig.1 Diagram of thermocouple time constant test

圖1中，T0表示熱電偶測(cè)溫端初始溫度，一般為環(huán)境溫度；Te為階躍溫度值，熱電偶測(cè)溫端穩(wěn)定后通過(guò)讀數(shù)可知；t1表示初始溫度響應(yīng)時(shí)刻；t2為初始溫度T0與階躍溫度Te的差值達(dá)到63.2%對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。用τ表示熱電偶時(shí)間常數(shù)，是指溫度達(dá)到溫升階躍量63.2%所用的時(shí)間(即τ=t2-t1)。

2 時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及階躍溫升信號(hào)控制方法

2.1 熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)階躍溫升信號(hào)，激光激勵(lì)熱電偶的表面，引起其表面瞬態(tài)溫升，從而直接測(cè)量出熱電偶的時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。紅外探測(cè)模塊和被測(cè)熱電偶分別置于橢球面反射鏡的兩個(gè)共軛焦點(diǎn)上，為了避免二者的直接輻射熱傳遞，加入一個(gè)隔熱塊。半導(dǎo)體激光器輸出激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后激勵(lì)被測(cè)熱電偶，另一焦點(diǎn)上的高速紅外探測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)熱電偶表面溫度變化，反饋控制模塊根據(jù)系統(tǒng)輸出溫度和期望值溫度的偏差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源電流，以確定加熱功率，獲得被測(cè)熱電偶溫度-時(shí)間曲線，從而獲得熱電偶時(shí)間常數(shù)。由于高速紅外探測(cè)模塊的頻率響應(yīng)特性優(yōu)于被測(cè)熱電偶的頻率響應(yīng)特性，以前者的響應(yīng)作為真值來(lái)校準(zhǔn)后者并獲得動(dòng)態(tài)誤差。

Fig.2 Schematic diagram of thermocouple time constant test system

2.2 熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)階躍溫升信號(hào)控制方法

在本測(cè)試系統(tǒng)中，由于半導(dǎo)體激光器輸出激光過(guò)程中功率恒定，激光輸出連續(xù)，熱電偶測(cè)溫端隨著溫度升高，不僅對(duì)激光吸收效率發(fā)生變化，而且自身進(jìn)行熱輻射與熱傳導(dǎo)等也發(fā)生變化，造成熱電偶輸出經(jīng)快速上升后會(huì)持續(xù)緩慢上升，停止出光后迅速下降，無(wú)法確定最后階躍量，難以評(píng)估熱電偶時(shí)間常數(shù)，熱電偶輸出曲線如圖3所示。

熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)利用功率階躍變化的激光加熱被測(cè)熱電偶，熱電偶輸出曲線會(huì)不斷上升，并非溫度階躍變化，所以可通過(guò)閉環(huán)反饋控制激光功率實(shí)現(xiàn)溫度階躍。采用高速紅外探測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱電偶測(cè)溫端表面溫度變化，將探測(cè)器所得的實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)反饋輸入端。采用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative,PID)閉環(huán)控制系統(tǒng)，跟據(jù)系統(tǒng)輸出溫度和期望值溫度的偏差，通過(guò)PID控制器對(duì)系統(tǒng)偏差的比例微分積分作用線性加權(quán)和來(lái)消除此誤差；半導(dǎo)體激光器輸出功率與輸入電流基本成線性關(guān)系，反饋控制模塊根據(jù)紅外探測(cè)器輸入實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電源輸出電流來(lái)線性控制半導(dǎo)體激光器輸出功率，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)激光器的輸出功率以確定激光器加熱功率，使熱電偶的表面溫度以最快速度上升，達(dá)到期望的溫度后，通過(guò)調(diào)節(jié)激光器驅(qū)動(dòng)電流，適當(dāng)降低激光器的輸出功率，以實(shí)現(xiàn)在熱電偶測(cè)溫端出形成定量階躍溫度的目標(biāo)，使被測(cè)熱電偶得到期望的平衡溫度，反饋控制過(guò)程如圖4所示。

Fig.3 Curve of thermocouple output

Fig.4 Block diagram of feedback control

在PID控制中，PID的參量調(diào)整是PID控制器設(shè)計(jì)的核心。實(shí)際系統(tǒng)由于有各種非線性，例如PID控制器的飽和非線性(對(duì)輸出的限幅作用)，可以較容易地觀測(cè)到等幅振蕩，這種振蕩一般就是設(shè)定值上下的等幅振蕩，根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)通過(guò)對(duì)被控過(guò)程的運(yùn)行特性分析從而可以確定出較理想的控制器參量。本系統(tǒng)中PID調(diào)試方法采用常用的擴(kuò)充臨界比例度法，在不用確定系統(tǒng)具體數(shù)學(xué)模型的情況下，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)的最佳整定參量。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)最佳的實(shí)驗(yàn)效果，最終確定PID反饋控制系統(tǒng)的參量：設(shè)置比例系數(shù)Kp=2.3，積分系數(shù)Ki=0.2以及微分系數(shù)Kd=2.4。

3 測(cè)試結(jié)果分析

在室溫12℃、濕度30%、大氣壓強(qiáng)101.325kPa的環(huán)境下對(duì)4支OMEGA公司的熱電偶進(jìn)行時(shí)間常數(shù)的測(cè)試，熱電偶的詳細(xì)參量如表1所示。表中K表示鎳鉻-鎳硅熱電偶，J表示鐵-康銅熱電偶，E表示鎳鉻-銅鎳熱電偶。熱電偶的實(shí)物圖如圖5所示。

Table 1 Basic parameters of thermocouple

Fig.5 Pictures and models of 4 thermocouples

經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后的半導(dǎo)體激光器在全量程(500W)輸出時(shí)，聚焦后的激光可使熱電偶溫度接近2000℃，鑒于4支熱電偶的測(cè)溫范圍，設(shè)置激光器輸出功率100W，在同等條件下對(duì)KQXL-18U-6型、TJ36-ICSS-18U-6型、TJ36-CASS-18U-6型及TJ36-CXSS-18U-6型4支熱電偶進(jìn)行時(shí)間常數(shù)測(cè)量。熱電偶測(cè)試波形如圖6所示。

Fig.6 Time constant response curve of 4 thermocouples

a—KQXL-18U-6 b—TJ36-ICSS-18U-6 c—TJ36-CASS-18U-6 d—TJ36-CXSS-18U-6

在同等條件下，采用ADLINK公司的PCI8554數(shù)據(jù)采集卡，采集熱電偶電壓輸出曲線，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行小波降噪處理，得到熱電偶時(shí)間常數(shù)曲線如圖6所示。根據(jù)以上時(shí)間常數(shù)曲線，可以得到4支熱電偶的時(shí)間常數(shù)如表2所示。

Table 2 Thermocouple test results

4 結(jié) 論

采用半導(dǎo)體激光器作為激勵(lì)源，使用反饋控制激光功率的方法產(chǎn)生階躍溫升信號(hào)，在限定輸出功率100W時(shí)，得到了熱電偶時(shí)間常數(shù)曲線，從曲線直接讀取出4支熱電偶的時(shí)間常數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)可產(chǎn)生較理想的階躍溫升信號(hào)，控制器動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能較好，為熱電偶時(shí)間常數(shù)的測(cè)量提供了一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)試平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果為激光器高功率高溫條件下對(duì)快速響應(yīng)、大量程熱電偶時(shí)間常數(shù)的測(cè)量和反饋控制提供了指導(dǎo)。

[1] TANG W B. Research on dynamic response rule of thermocouple for one type of turboprop engines combustor[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2013:15-40(in Chinese).

[2] LIU Y, WU Sh, ZHAO Y G. Research and developing status on temperature sensor of thermocouple[J]. China Instrumentation, 2003,23(11):1-3(in Chinese).

[3] ZHAO Y Sh, YANG L H. Research progress of thin film thermocoupletemperature sensor[J]. Transducer and Microsystem Technologies,2012,31(2):1-3(in Chinese).

[4] LIU H. Discussion on thermocouple temperature measurement principle and its application[J]. Science-Technology & Enterprise,2014,23(2):258(in Chinese).

[5] FANG L D, ZHANG J K, WANG N,etal. Study of dynamic response on characteristics of K-type thermocouple[J]. Electronic Measurement Technology, 2010, 24(11)：18-20(in Chinese).

[6] WU F, YANG X Y, WANG L. Study on measuring time constants of surface temperature sensors[J]. Measurement Technique, 2014,58(4)：60-62(in Chinese).

[7] TASHIRO Y,BIWA T,YAZAKI T.Calibration of a thermocouple for measurement of oscillating temperature[J].Review of Scientific Instruments,2005,76(12): 24901-24905.

[8] WANG S T, ZHAO J, JIN Zh T. Uncertainty analysis of time constant measurement of sapphire fiber blackbody cavity[J].Industrial Measurement, 2013,23(3)：53-54(in Chinese).

[9] YANG Y, HAO X J, WU Y Y. Nonlinear fitting method based on dynamic calibration of thermocouples[J]. Laser Technology, 2014, 38(2):145-148(in Chinese).

[10] WANG R, HAO X J, ZHOU H Ch,etal. Design of infrared signal detection circuit in a temperature calibration system[J]. Laser Technology, 2013,37(2):247-250(in Chinese).

[11] MA X Y, WANG J, LIU S P. Research and application of domestic high power semiconductor lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(2): 189-194(in Chinese).

[12] LIU B, HUANG Zh H,CAI H Y,etal.Design of driving system of quasi continuous wave laser diode based on differential amplifier circuit[J]. Laser Technology,2015,39(2):166-169(in Chinese).

[13] HAO X J, ZHOU H Ch, LI K J. Application of CO2laser to response time measurement to surface[J]. Chinese Journalof Scientific Instrument, 2007,28(6):1040-1044(in Chinese).

[14] QI M Y, DING J, YANG S L,etal.Simulation research on thin-film thermocouple temperature sensor dynamic character calibration[J]. Computer Simulation,2016,33(6):325-330(in Chinese).

[15] TENG Sh L, KONG X M. Test system of time constant based on step temperature response[J]. China Measurement & Test,2011,37(1):24-27(in Chinese).

[16] XU L X, XIE J B, YANG Zh W,etal. Preparation of micro thermocouple and calibration method of time constant[J]. Journal of Electronic Test and Instrument, 2016, 30(7):1023-1028(in Chinese).