CN111006793A

CN111006793A - 一种基于热管法的k型铠装热电偶响应时间测量方法

Info

Publication number: CN111006793A
Application number: CN201911309474.3A
Authority: CN
Inventors: 高成; 雷鑫; 黄姣英; 傅成城
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-04-14

Abstract

本发明提供一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，步骤如下：一：选定待测K型铠装热电偶，确定需要的温度梯度；二：连接待测器件、数据采集仪和计算机***，打开热管恒温槽进行预热；三：记录初始温度T1；四：正向温度梯度响应时间测量及数据记录；五：逆向温度梯度响应时间测量；六：数据拟合与封装影响分析；通过以上步骤，能利用热管法以及数据处理与分析，测量并计算出K型铠装热电偶的响应时间；给出了一种精确的测量响应时间的方法，为器件使用人员提供K型铠装热电偶精确热性能参数。

Description

一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法

(一)技术领域：

本发明提供一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，它涉及一种电子元器件的响应时间测量方法。它主要针对器件使用时准确响应时间的使用需求，对器件的响应时间测量设计了一种方法以及数据处理方式，属于电子元器件性能参数测量领域。

(二)背景技术

在元器件技术发展日新月异的今天，大量新型传感器广泛应用于航空航天等***中，承担着精细的测量任务。高性能的传感器是准确获取动态信息的首要环节，获取信息往往对传感器的时效性有着严格的要求。响应时间定义为传感器响应外界刺激产生相应百分比阶跃变化所用的时间，其有效地反映了传感器性能的优劣。封装是传感器为保护内部测量芯片引入的外部保护结构，其存在将影响传感器的响应时间。K型铠装热电偶作为常用的一种温度传感器，在实际中有大量应用。每只器件的响应时间由于工艺问题存在一定偏差，由产品参数手册无法获得精确的响应时间。

K型热电偶响应时间测量方法国内外均有所涉及，且以投入实验法和脉冲激光法为主要方法。但投入实验法容易引入二次误差，实验数据精度不足；脉冲激光法成本高昂，设备操作复杂，二者都无法方便地取得准确结果，并且针对封装对响应时间的影响也未进行描述。热管法从硬件设施、数据采集方式以及数据处理三方面对以往方法进行了改良，能够获得更加精确的实验数据，因此能更加准确的给出响应时间，描述封装对响应时间的影响，具有工程应用意义。

热管法测量响应时间是利用热管恒温槽、数据采集装置和计算机***来进行的。待测器件与数据采集装置连接，通过放入不同温度的热管恒温槽来改变其外部温度，利用计算机***显示待测器件感温端时间与温度的变化曲线，并通过MATLAB拟合得到变化曲线的数学描述，用其数学描述计算得出响应时间。这种方法成本低廉、操作简便、采集的数据精度高，对器件没有外在损伤，而且安全可控，适用于器件的响应时间测量，具有一定的创新性。

随着温度传感器在不同领域的广泛应用，其封装形式复杂多变，利用传统方法获得准确的响应时间更加困难。本文提出一种基于热管法的温度传感器响应时间测量方法，能较为准确的得到器件的响应时间并进行封装对响应时间的影响研究，且操作简便成本低廉，能为器件提供精准的性能参数。

(三)发明内容：

1.目的：

本发明的目的是提供一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，它是以投入试验法为基础，设计测量***，选择所需器材，搭建测量平台，结合实际试验，进行数据处理，实现K型热电偶响应时间的测量和封装影响分析，为器件的使用提供准确性能参数。

2.技术方案：

本发明提出一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，它包括以下步骤：

步骤一：选定K型铠装热电偶作为待测器件，并确定测试需要的正向温度；

步骤二：用导线将待测器件两端与数据采集仪相连，并使用数据线将数据采集仪与计算机***相连；打开热管恒温槽不同部分，按照所需的温度梯度进行预热；

步骤三：记录初始温度T1；将待测器件感温端放入热管恒温槽内，打开数据采集软件并观察输出温度值；待输出稳定之后，记录当前温度输出值为初始温度T1并关闭数据采集软件；

步骤四：正向温度梯度响应时间测量及数据记录；设定数据采集***以5s为时间间隔收集数据，重新进行数据采集；同时将待测器件感温端快速放入另一温度的热管恒温槽内，不同时间t对应温度记录为T；待测器件温度输出达到新的稳定状态后，记录该温度输出值为T2并生成简易试验图像；

步骤五：逆向温度梯度响应时间测量；紧接步骤四，温度输出T2稳定后，将该温度作为新的初始温度状态T1，等待1分钟后重复步骤三、步骤四进行逆向温度梯度响应时间测量；以上条件不变的情况下，至少进行三轮测量以减小试验误差；经过测试的感温探头从热管恒温槽中取出，在常温条件下自然风冷1小时后再进行回收。

步骤六：数据拟合与封装影响分析；利用MATLAB对测量数据进行拟合，得到对应曲线函数，进一步得到待测器件响应时间；由于导线在温变过程中电阻会发生变化和存在其他误差来源，在进行拟合检验时须遵循以下准则；

热管法拟合检验准则如下：

1、温度传感器响应模型；温度传感器进行响应时间试验时，应将其响应过程视为一阶惯性环节，器件本身视作一阶线性测量器件，使用符合标准的阶跃温度信号，其测试过程用微分方程可以表述为；

式中：

τ为温度传感器响应时间；

T_i为实时测量温度；

T为温度传感器测量温度；

响应时间取用点设定在全量程变化的50％处。温度传感器响应时间曲线对应的函数为：

式中：

T为温度传感器测量温度；

T₀为初始温度；

T_f为流体或测量环境温度；

A为物体与流体换热面积；

h为表面换热系数；

V为敏感元件体积；

c为物体的比热容；

p为物体的密度；

可简化为：

T(t)＝a+c(1-e^bt)，b＜0

2、当t趋近于+∞时，T(t)趋近于a+c，即温度传感器的最终温度应该为T_f，即为流体温度。本文针对每一组试验进行数据拟合，得出其响应时间曲线以及曲线表达式，通过计算曲线参数的和(即a+c)与最终实际稳定温度相比较验证拟合方法的准确性。由于热管恒温槽准确温度分度值为1摄氏度，故其测量b类不确定度为：

则其置信度为99％的置信区间为：

{T_f-3u_b，T_f+3u_b}

考虑到导线在温变过程中电阻会发生变化、传感器本身具有误差以及实验数据不够丰富等误差来源，测量中认为拟合温度与实际最终温度相差不超过5℃即为正确拟合。

其中，在步骤一中述的“需要的温度梯度”，是指热管恒温槽提供的两个不同温度的热环境，其具体数值根据待测需求确定；

其中，在步骤二中述的“热管恒温槽”，是指以热管技术为工作原理，采用了循环式液体作为工质的热学器材，型号为HRZ-400；其金属腔体内密封一定数量的液态工质，介质在腔体的下端被加热至沸点，部分蒸汽介质携带着热量流向腔体上端，同时金属腔壁向外散发热量，蒸汽状态的介质重新冷凝成液态，通过重力作用回流至加热端，循环往复便提供了稳定的热环境；

其中，在步骤二中述的“数据采集仪”，是指Keysight 34970A数据采集仪；内含61/2位的数字电压表，3个插槽位于背面；

其中，在步骤二中述的“数据线”，是指GPIB转PCI数据线，主要作用是连接数据采集仪与计算机***；

其中，在步骤二中述的“预热”，是指热管恒温槽开机运行的状态，完成标志是屏幕所示温度1分钟内无变化；

其中，在步骤三中述的“输出稳定”，是指输出温度值连续30s变化不超过0.1℃；

其中，在步骤三、四中述的“初始温度、温度输出值”，由于部分温度传感器插深过小，感温端无法达到核心温度区；热管恒温槽插口孔径过大，周围缺乏有效的保温措施，造成部分温度传感器实际显示温度与热管恒温槽设定温度不一致，但仍然存在显著的温度梯度，其变化不影响相关结论的得出。

通过以上步骤，能利用热管法测量并计算出K型铠装热电偶的响应时间；为器件使用人员提供K型铠装热电偶精确热性能参数。

3.优点及功效：

本发明提出一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，该发明的优点是：

1)由热管恒温槽提供温变环境，有更丰富的温度变化范围，更安全的测量环境，避免了使用恒温水槽带来的温变范围狭窄、测量过程不安全的问题；

2)使用电子数据采集***进行数据采集，采集间隔明确，数据精度显著提高，避免了使用示波器带来的读数困难、数据精度不足的问题；

3)使用MATLAB对采集数据进行拟合，得到时间与温度的数学描述，避免了使用示波器图像可能出现的取点困难、读数粗糙不精确以及难以确定响应函数的问题；

本发明所提供热管法测量响应时间方法，能很好地减小测量误差，提供较大的温变范围，为给出器件较为准确的响应时间提供依据。

(四)附图说明：

图1本发明所述方法流程图

图2测量记录图

图3测量数据拟合图(正向温度梯度)

图4测量数据拟合图(逆向温度梯度)

图5不同封装待测器件响应时间散点图(接触方式)

图6不同封装待测器件响应时间散点图(探头长度)

图7不同封装待测器件响应时间散点图(管壁厚度)

图中符号代号说明如下：

K型铠装热电偶是待测温度传感器类型

Keysight34970A是数据采集仪

BenchLink Data Logger是数据采集软件

HRZ-400是热管恒温槽型号

(五)具体实施方式：

本发明所描述的测量方法以K型铠装热电偶为例进行测试。结合具体的实际案例，对本发明所述的一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法进行详细说明。

本发明提出一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，其流程图如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤一：选定待测器件为K型铠装热电偶，确定热管恒温槽1区温度为100℃，2区温度为200℃，温度梯度为100℃；选择器材如表1所示；

表1器材选型表

步骤二：打开HRZ-400热管恒温槽，设定1区温度为100℃，2区温度为200℃并进行预热；用导线连接K型铠装热电偶与Keysight34970A数据采集仪，用GPIB转PCI数据线连接Keysight34970A数据采集仪与计算机***；打开数据采集软件BenchLink Data Logger准备进行数据采集；

步骤三：记录初始温度T1。待热管恒温槽屏幕所示温度1分钟内无变化，将温度传感器放入热管恒温槽1区；打开数据采集软件BenchLink Data Logger观察温度变化，待输出温度连续30s变化不超过0.1℃，记录当前输出温度为初始温度T1；

步骤四：正向温度梯度响应时间测量及数据记录。设定数据采集***以5s为时间间隔收集数据，同时将K型铠装热电偶感温端快速放入温度为200℃热管恒温槽2区，利用数据采集软件BenchLink Data Logger进行二次数据采集，生成测量记录图像(不同时间t对应温度记录为T)如图2所示；K型铠装热电偶温度输出达到新的稳定状态后，记录该温度输出值为T2；

步骤五：逆向温度梯度响应时间测量。紧接步骤四，温度输出T2稳定后，将该温度作为新的初始温度状态T1，等待1分钟后重复步骤三、步骤四进行逆向温度梯度响应时间测量；以上条件进行三轮测量后，将经过测试的感温探头从热管恒温槽中取出，在常温条件下自然风冷1小时后进行回收。

步骤六：数据拟合与封装影响分析。利用MATLAB对测量数据进行拟合，如图3、图4所示；得到响应时间记录表，如表2表3所示：

表2正温度梯度响应时间记录表

表3逆温度梯度响应时间记录表

以正温度梯度方向为例，遵循拟合的检验准则进行检验，如表4所示；

表4拟合参数与最终平均温度对比表

作出不同封装待测器件响应时间散点图，如图5、图6和图7所示，可进行其他分析。

Claims

1.一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：选定K型铠装热电偶作为待测器件，并确定测试需要的温度梯度；

热管法拟合检验准则如下：

式中：

τ为温度传感器响应时间；

T_i为实时测量温度；

T为温度传感器测量温度；

式中：

T为温度传感器测量温度；

T₀为初始温度；

T_f为流体或测量环境温度；

A为物体与流体换热面积；

h为表面换热系数；

V为敏感元件体积；

c为物体的比热容；

p为物体的密度；

可简化为：

T(t)＝a+c(1-e^bt),b＜0

则其置信度为99％的置信区间为：

{T_f-3u_b，T_f+3u_b}

其中，在步骤二中述的“热管恒温槽”，是指以热管技术为工作原理，采用了循环式液体作为工质的热学器材，其金属腔体内密封一定数量的液态工质，介质在腔体的下端被加热至沸点，部分蒸汽介质携带着热量流向腔体上端，同时金属腔壁向外散发热量，蒸汽状态的介质重新冷凝成液态，通过重力作用回流至加热端，循环往复便提供了稳定的热环境；

其中，在步骤二中述的“预热”，是指热管恒温槽开机到温度稳定之间的状态；

2.根据权利要求1所述的一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，其特征在于：所述的“热管”是指热管恒温槽，其型号为HRZ-400；热管利用潜热变化来传送热能，具有很高的热传导率，能在很小温差条件下，自动传递大量热能，是相同几何尺寸金属的几个数量级。热管具有非常小的热阻，借助于蒸汽流所导致的热扩散，可以使温度均匀分布。热管恒温槽的顶端有测温插孔，其中除控温传感器插孔外，其余均为检测温度计用插孔，尺寸直径为φ8mm至φ18mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，其特征在于：所述的“响应时间”是指传感器响应外界刺激产生相应百分比阶跃变化所用的时间，一般用τ来表示，下标表示百分比对应的小数数字。

4.根据权利要求1所述的一种基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测量方法，其特征在于：在步骤二中所述的“预热”完成标志为热管恒温槽屏幕所示温度1分钟内无变化。