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热电偶时间常数测试技术研究

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一、前言

温度传感器的时间常数τ是影响测温速度的主要因素，也是衡量温度传感器动态测试性能的重要指标，确定温度传感器的时间常数对于保证动态温度测量的准确性具有非常重要的意义。

在工农业生产、航天、环保、国防和科研等许多应用领域，对温度传感器的时间常数都有具体的要求。例如测量汽车发动机吸入空气的温度，要求热响应时间小于 1s;内燃机燃烧室表面瞬态温度测量要求 1ms～2ms;测量冲击波和爆轰波波阵面的温度，则要求达到 10ns。然而由于影响时间常数的因素很多且复杂，难以用理论计算的方法获得准确的数值，因此实用中都是采用实验测定的方法，温度阶跃法是最常用的方法之一[1]。然而目前用实验方法测定毫秒级及以下温度传感器的时间常数却是十分困难的，主要问题是缺乏有效的手段，难以获得与之相适应的较为理想的温度阶跃[2]。例如，传统的热风洞法设备复杂昂贵，使用费用高，特别是高低温界面模糊等原因，在测量温度传感器时间常数时误差很大。因此，研究实用且能准确测定温度传感器时间常数的方法是十分有意义的工作。

本文介绍的热电偶温度传感器时间常数测试系统通过对不同时间常数范围的热电偶进行测试分析，获得了较理想的实验结果，对热电偶等温度传感器的研究和应用具有一定的参考价值。

二、热电偶时间常数的含义及表示

对于热电偶温度传感器，其时间常数τ可以定义为：

(1)

式中，W—热电偶材料的比重;V—体积;C—比热;h—导热系数;A—热电偶周围流体薄膜的面积。

该式表明热点偶的时间常数是由热电偶的材料、结构形式及测温环境等因素决定。

由于热电偶热惯性的存在，一般将其视为一阶系统进行研究，则热电偶对阶跃温度的响应为：

式中，T一热电偶指示温度;

T0—热接点初温;

Te—阶跃温度;

t—对阶跃温度的响应时间;

τ—热电偶时间常数。

由公式可以看出热电偶的时间常数是属于典型的按指数变化量

当 t=τ时，则有：

即时间常数是热电偶指示温度 T 与初始温度 T0之差达到温度阶跃(Te-T0)的 63.2%所需的时间。这就是时间常数τ通常的定义，同时也说明了测量τ的方法，见图 1。

三、测试系统及

方案为了获得热电偶的时间常数，系统采用了一种脉冲激光法对热电偶时间常数进行研究，通过热电偶的升温过程测试其时间常数。设计了如下系统：

如图 2 所示，高功率 CO2激光器为整个系统的阶跃温度发生装置，由它发出的激光光束首先经过光隔离器，然后被与输出光束成 45°的平面镀金全反射镜反射，此反射光线输入到凹面反射镜(焦距为 1.5m)，经汇聚的 CO2激光光束由屏蔽箱的激光输入窗口给热电偶产生阶跃温升，由示波器记录热电偶对这种温度阶跃的响应,即可根据响应曲线直接求得时间常数值。屏蔽箱防止电磁干扰，保证了测试的精度。

为了测量热电偶的时间常数，尤其是小惯性热电偶的时间常数(如毫秒级、微秒级)，需要较为理想的温度阶跃。即阶跃的上升时间应远小于被测热电偶的时间常数，才能使测得结果具有较好的准确性。我们采用了美国相干公司的 K500 型高功率 CO2激光器，经测试该 CO2激光器脉冲上升时间为 72μs[3]，可连续加热，是测量亚微秒级及以上的热电偶时间常数的理想激励源。此外，被测热电偶对阶跃温度的响应终止点的选取，决定了总阶跃温度量，直接影响了τ值，按一阶系统响应特性可知：