传感器 2016-09-29 15:43
中国电工网讯:
    摘要:热电偶的动态特性对工业现场测温有至关重要的影响,探讨了k型热电偶在有保护管与无保护管状态下的动态特性。在每种状态下分别进行了等阶跃不同初始状态与不等阶跃相同初始状态的动态测试实验。根据传感器的动态特性的数学模型,对获得的12种动态变化下的实验数据进行了分析,得出了不同状态下的时间常数,研究了时间常数的影响因素。
 
    0引言
 
    本文介绍了k型热电偶在阶跃温度变化条件下的时间响应特性测试实验。其测试原理是基于一阶、二阶系统的数学模型及单位阶跃响应[1]。在测试过程中,被测温度对应于温度传感器的输出电压,当温度发生阶跃变化,输出电压幅值变为稳态电压与初始电压差值的0.632时,此时对应的时间即为时间常数τ。通过对k型热电偶在等阶跃与不等阶跃、有保护管与无保护管条件下的对比测试的研究,可以深入了解分析两种温度传感器在动态测温下的变化趋势,获得了动态响应时间常数和较理想的测试结果,对k型热电偶温度传感器的研究和应用具有一定的参考价值。
 
    1测试方法
 
    温度传感器响应测试实验[4],通常采用投入法和瞬时加热法。限于实验室的测试条件与精度要求不高的情况下,本实验采用投入法,可比较准确的测试出实验室温度传感器的时间常数。其方法为,将温度传感器在某一平衡初始温度下,快速将其插入被测温场中,此变化即为阶跃输入信号,同时记录采集到的传感器输出值,并根据数据绘得动态特性曲线,依据上述数学模型求取时间常数。
 
    2实验数据处理
 
    2.1等阶跃温度变化
 
    初始温度为30℃,阶跃温度为40℃,阶跃变化量为10℃,记录数据生成曲线如图1、图2所示。
 
    图1与图2表明,k型热电偶由30℃到40℃的阶跃变化过程中,其动态特性曲线可描述为一个短暂的负阶跃和一个长时间的正阶跃的衔接。出现负阶跃现象,是因为在实现阶跃温度变化的过程中,需要将k型热电偶由初始温度恒温槽中迅速取出插入阶跃温度恒温槽中,致使k型热电偶暴露于室温下,初始温度高于室温,因而产生了一个短暂的负阶跃响应。因此在求取时间常数时,不能从初始时刻算起,必须进行修正。由上面介绍求取时间常数的方法,得图1对应的时间常数τ为15s,图2对应的时间常数τ为18s。
 
    初始温度为40℃,阶跃温度为50℃,阶跃变化量为10℃时,其动态特性曲线在有保护管与无保护管时基本上和从30℃到40℃的相似,根据前面求取时间常数的方法,得到在有保护管与无保护管对应的时间常数τ分别为9s和14s。
 
    初始温度为50℃,阶跃温度为60℃,阶跃变化量为10℃时,其特性曲线与由40℃到50℃的阶跃变化特性曲线相似,其产生原因也相同。其有保护管与无保护管对应的时间常数τ分别为为7s和7.5s。
 
    2.2不等阶跃温度变化
 
    初始温度为30℃,阶跃温度为50℃,阶跃变化量为20℃,记录数据生成曲线如图3、图4所示。图3与图4中均有前面所论述的负阶跃现象。同上方法,图3对应的时间常数τ为7.5s,图4对应的时间常数τ为18s。
 
    初始温度为30℃,阶跃温度为60℃,阶跃变化量为30℃时,并没有负阶跃变化的曲线生成,可见阶跃量变大后,热电偶的升温速度非常快,在插入到60℃的恒温槽后,在1s以内就可以达到取出时的初始温度以上,所以在计算时间常数时,可忽略负阶跃变化造成的误差。其有保护管与无保护管对应的时间常数τ分别为9s和15s。
 
    2.3有保护管与无保护管时间常数比较
 
    由2.1与2.2中求得的时间常数τ与阶跃变化量获得曲线如图5、图6所示。
 
    经过比较,在实验数据范围内:1)当初始温度与阶跃变化量相同时,k型热电偶在无保护管下的时间常数比在有保护管的时间常数要大,在上述测试中,发现时间常数随阶跃变化量的增大,先呈现单调上升趋势,而后是单调下降,随后呈现小幅回升,预测变化趋势为随时间渐进稳定。
 
    根据分析,揣测其时间常数与阶跃变化量之间的关系可能符合二阶振荡系统的数学模型;2)当初始温度不同,阶跃变化量均为10℃时,k型热电偶有保护管和无保护管的时间常数,都随初始温度的升高而降低,其变化率越来越小,其变化趋势是超过一定温度范围后,变化将不十分显著。
 
    3结论
 
    本实验以传感器在插入阶跃温度恒温槽后上升到初始温度时为计算起点,避免了室温波动和负阶跃所带来的测量误差。在求取时间常数时,本文以修正后的初始温度为起始点,求取的时间常数缩短了10~40s不等。
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