热电偶温度传感器动态响应特性研究

张根甫郝晓剑桑 涛李岩峰

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

热电偶温度传感器动态响应特性研究

张根甫1，2，郝晓剑1，2，桑 涛1，2，李岩峰1，2

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

激励阶跃温度信号作用在热电偶偶结的起始时刻与热电偶温度传感器响应起始时刻之间存在一定的延误量，该量不同于热电偶时间常数，量值大小不能通过时间常数表征，对热电偶的动态特性具有较大影响。该文针对爆炸温度场测试，采用丁烷火焰作为激励源，配合快门以及挡板产生阶跃温度信号，实现在时间＜1s内产生的阶跃温度场温度＞1000℃，通过设计制作激励源监测模块对该延误量进行测试。对5种不同偶结的K型热电偶温度传感器进行实验，将测得的延误量与时间常数对比，分析产生该延误量的因素及其与时间常数的关系，为热电偶温度传感器进行瞬态温度信号测量时的选型及使用提供参考。

测试计量技术及仪器；动态特性；延误量；热电偶；时间常数

0 引 言

热电偶温度传感器由于结构简单、测温范围广、准确度高而得到广泛应用，伴随着动态温度测试需求的与日俱增，热电偶温度传感器的动态特性已成为研究人员关注的焦点。通常使用时间常数表示热电偶温度传感器动态响应速度的快慢，热电偶温度传感器时间常数是指当其传递函数按一阶处理时，热电偶温度传感器输出达到阶跃温度量63.2%所需要的时间。目前主要通过热电偶温度传感器对阶跃温度的响应来测量时间常数，主要包括以下3种方法：激光调制法[1-4]、投入实验法[5-6]、热风洞法[7]。但是这些实验均从热电偶温度传感器对激励阶跃温度信号响应曲线上直接获取时间常数，并以此来评定热电偶温度传感器的动态性能。在具体实验过程中，发现激励阶跃温度信号作用在热电偶偶结的起始时刻与热电偶温度传感器响应起始时刻存在一定延误，通常把这一延误称为热电偶温度传感器延误量，该量不同于热电偶时间常数，量值大小不能通过时间常数表征。如何测量和减少该延误量对提高热电偶温度传感器的动态性能有重要意义。

本文针对爆炸场温度测试，提出采用丁烷火焰作为激励源，尽可能模拟现场环境，通过在测试设备中添加激励源监测模块，进行多组对比试验，实现对该延误量与时间常数的测试，查找该延误量与时间常数之间关系，分析延误量的来源与影响因素，提出减少延误量的相关措施，对于提高热电偶温度传感器的动态响应速度和具体应用具有一定的参考价值。

1 热电偶温度传感器延误量

式中：T——热电偶指示温度；

T0——热接点初温；

Te——阶跃温度；

t——热电偶对阶跃温度的响应时间；

根据式（1)、式（2)得出的热电偶温度传感器动态响应曲线。热电偶指示温度按指数曲线上升，理论上时间到无穷时，才能达到阶跃温度，针对一次具体测试，通常采用从热电偶输出响应曲线上直接获取时间常数，一般认为5倍的时间常数之后热电偶与阶跃温度平衡。时间常数的计算公式如式（3)所示，其中t2为热电偶指示温度T与初始温度之差T0达到63.2%温度阶跃量的时刻，t1为热电偶响应起始时刻。

在具体实验过程中热电偶对阶跃温度信号的动态响应曲线，如图1所示，激励阶跃温度信号作用在热电偶偶结的起始时刻与热电偶温度传感器响应起始时刻存在一定延误，把这一延误称为热电偶温度传感器延误量，用Δt表示，计算公式为

1.2.1 TVS检查 仪器为西门子S2000和esaote MyLabClass C彩超诊断仪。需在月经期外实施检查。检查前告知患者排空膀胱，取截石位。将耦合剂涂抹于阴道探头上并套置乳胶套，在患者宫颈表面或阴道弯隆部置入探头，行多方面检查，如纵切、横切、斜切等，如患者子宫卵巢位置较高、存在明显的肠气干时，可适度加压腹部，将检查距离缩短，必要时可行经腹部超声检查。对子宫位置进行观察，测量子宫内膜厚度以及上下径、左右径、前后径，观察子宫内肿物位置、形态和子宫内膜回声、子宫形态、子宫肌壁回声等。仔细观察病变部位血流分布、双侧附件区等情况，并测量双侧卵巢大小。

图1 热电偶温度传感器动态响应曲线

因此，单从热电偶温度传感器输出响应曲线上直接获取时间常数，而忽略该延误量的存在，则测试结果对于热电偶温度传感器动态特性的评定不够客观、全面。同时，在实际测量中可能造成无法真实反映输入信号，导致测量失败。

2 测试系统构成

针对以上问题，搭建如图2所示的测试系统，由丁烷火焰、快门以及可移动隔热挡板组成阶跃温度信号发生模块。由于激励源监测模块频响特性远优于热电偶温度传感器[8]，可将激励源监测模块的响应时刻作为阶跃温度作用在热电偶偶结的起始时刻，由数据采集系统同时采集热电偶温度传感器和激励源监测模块的输出信号。

图2 测试系统示意图

具体测试过程如下：保持快门开启，可移动隔热挡板位于快门后部，丁烷气喷枪位于快门前部，待丁烷火焰稳定，在移开可移动挡板的同时，关闭快门，待可移动挡板移除，快速打开快门。这样，一方面可使快门受热时间最短，避免损坏，另一方面可使热电偶在受到阶跃温度之前可保持表面温度稳定，快门再次开启后受到的激励温度波动小。可移动挡板采用耐高温、隔热的材料。由于快门开启时间＜1s，丁烷气喷枪火焰温度＞1000℃，可以认为在热电偶温度传感器表面产生阶跃温度激励。快门再次开启后，热电偶和激励源监测模块同时受到丁烷火焰的激励，激励源监测模块响应较快（μs级)，故可将激励源监测模块的响应时刻作为阶跃温度信号起始时刻t′1。数据采集系统同时采集热电偶和激励源监测模块的输出信号，确定热电偶温度传感器响应起始时刻t1及热电偶温度传感器指示温度T与初始温度T0之差达到63.2%温度阶跃量的时刻t2，进而计算延迟量Δt和时间常数。

对比测试过程保持热电偶温度传感器偶结与丁烷火焰发生装置相对位置固定，使用丁烷火焰稳定部分均匀覆盖热电偶温度传感器偶结，同时保证火焰大小固定。

2.1 阶跃温度信号发生模块

测试装置中使用的丁烷火焰大小可自由调节，实物图如图3所示，通过热电偶实测得到火焰最高温度为1200℃。火焰接近管口部分直径约2cm，可较好覆盖热电偶温度传感器偶结。使用红外热像仪对丁烷火焰进行拍摄，所得图像如图4所示，发现火焰接近管口部分温度变化小。同时，这部分火焰抖动小，较为稳定。因此，在测试过程中使用接近管口的火焰，可使热电偶温度传感器偶结处于稳定的温度场。

2.2 激励源监测模块

图3 丁烷火焰实物图

图4 丁烷火焰热像仪图

激励源监测模块由探测器及其信号调理电路组成。由于激励源监测模块需响应丁烷火焰，因此首先要确定丁烷火焰光谱分布范围[9]。采用海洋光学USB 4000光谱仪测量丁烷火焰光谱分布，其光谱响应范围200～1000nm，具有4种触发模式，16位A/D转换，测得丁烷火焰光谱分布如图5所示，发现丁烷火焰光谱主要分布在480～580nm之间，峰值波长为518.58nm，但强度较弱。根据丁烷火焰的光谱分布范围，选定SIEMENS公司BPW21硅光电二极管作为探测器，其光谱响应相对灵敏度如图6所示，光谱响应度0.34A/W（波长为550nm)，峰值响应波长550nm，光谱响应范围350～820nm与丁烷火焰匹配较好，上升时间1.5μs。

图5 丁烷火焰光谱分布

图6 探测器光谱响应相对灵敏度

该探测器既能在反向偏置电压的光电导模式下工作，也能在零偏置电压下的光电模式下工作。其中光电导模式可提供较高的速度，适用于高速场合，因此本电路采用光电导模式[10]。在电路设计时应注意反偏电压的幅值与连接方法，以及探测器的结电容与负载电阻并联所决定的电路的时间常数[11]。

3 测试结果分析

实验选用5种不同偶结的K型热电偶温度传感器，编号依次为1#～5#，如图7所示。其中，1#～3#号热电偶带有保护套，但保护套的外形与材料不同，4#和5#热电偶偶结裸露，但偶结形状不同。在相同工况下进行测试，测试波形图依次如图8～图12所示。图中，曲线1为热电偶响应曲线，曲线2为激励源监测模块响应曲线为阶跃温度起始时刻，t1为热电偶响应起始时刻，t2为热电偶温度传感器指示温度T与初始温度T0之差达到温度阶跃量的63.2%的时刻。其中，在图11与图12中，曲线2逐渐上升是由于随着热电偶偶结温度升高，偶结热辐射增强造成的。

图7 热电偶偶结外形与编号

图8 1#热电偶测试波形图

图9 2#热电偶测试波形图

图10 3#热电偶测试结果波形图

图11 4#热电偶测试结果波形图

测试结果如表1所示，发现延误量Δt所占时间常数 的百分比最大为8.8%，最小为4.4%，具有一定的分散性。将带保护套与偶结裸露的热电偶进行对比，发现延误量Δt占时间常数 比例的大小与有无保护套不相关，不能简单认为偶结裸露的热电偶延误量Δt占时间常数 比值小于带保护套的。

图12 5#热电偶测试结果波形图

表1 5种热电偶测试数据表

该延误量的存在是因为热能首先与热电偶偶结表面膜层作用，而后通过表面膜层将热能传导至热电偶偶结产生塞贝克效应，热电偶响应输出。通过对比试验发现热电偶偶结表面情况对该延迟量影响很大，如有无保护套、表面粗糙度、表面形状等。同时，温度场差异以及温度场与热电偶偶结之间的介质对该延误量也有较大影响。对于航空发动机尾焰、爆炸温度场等复杂环境的瞬态温度的测试，在进行测量仪器选型时不仅要考虑热电偶温度传感器时间常数，也需考虑这个响应延误量，在不破坏温度场的情况下,应尽量减少该延误量，例如在热电偶偶结处添加抽气装置等，否则可能造成测试结果失真，不能真实反映被测温度信号。

4 结束语

本文对K型热电偶温度传感器的动态特性进行研究，在时间常数测试中添加激励源监测模块，对激励阶跃温度信号作用在热电偶偶结的起始时刻与热电偶温度传感器响应起始时刻之间存在的延误量测试，通过多组对比试验，测得该延误量，并指出该延误量与时间常数的关系，探讨了产生该延误量的原因，分析主要影响因素，并提出减少该延误量的相关措施，为改进热电偶温度传感器的动态特性提供了参考。

[1]郝晓剑，周汉昌，李科杰，等.CO2激光器在表面温度传感器响应时间测量中的应用[J].仪器仪表学报，2007（6)：1040-1044.

[2]郝晓剑，李科杰，刘健，等.基于CO2激光器的温度传感器可溯源动态校准[J].兵工学报，2009（2)：156-159.

[3]杨述平.激光调制法的热电偶时间常数测量[J].中北大学学报：自然科学版，2007（3)：246-250.

[4]黄亮，郝晓剑，周汉昌.热电偶时间常数测试技术研究[J].传感器世界，2006（9)：16-18.

[5]吴方，杨新圆，王莉.表面温度传感器时间常数测量方法研究[J].计测技术，2014（4)：60-62.

[6]方立德，张计科，王农，等.K型热电偶动态响应特性研究[J].电子测量技术，2010（11)：18-20.

[7]王松涛，赵俭，金振涛.蓝宝石光纤黑体腔时间常数测量的不确定度分析[J].工业计量，2013（3)：53-54.

[8]李川，薛珮瑶.一种光电探测器接口电路的响应特性分析[J].微电子学，2015（2)：192-195.

[9]陈巧霞，刘宏华.一种基于运放用作比较器的高速光电探测电路的设计与实现[J].科技创新与应用，2014（15)：11-12.

[10]陈彦涛.光电二极管放大电路设计[D].西安：陕西师范大学，2014.

[11]占建明，汶德胜，王宏，等.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].半导体技术，2011（4)：304-306.

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

国家自然科学基金项目（61473267)国防基础科研资助项目（JSJC2013408C009)

张根甫（1990-)，男，河南平顶山市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与光电仪器方面研究与应用。