薄膜热电偶动态响应特性的实验研究

　　引　言

　　在内燃机缸内瞬态传热研究中,表面温度法的关键技术之一是壁表面瞬态温度测试的实现。换言之,薄膜热电偶必须能反映出内燃机缸内壁面在内燃机高速运转时的周期温度波动,或者更为有代表性的反映出缸内火焰传播到测点处时壁面的温度跃升。通常我们用薄膜热电偶的时间常数τ_^w来描述薄膜热电偶的动态响应特性,关于影响τw的诸多因素已有文献分析,本文专述如何确定或者估量τw值,在对已往方法分析的基础上,提出作者采用的测试方法。

　　1　缸壁测点处的特征值τg和τw

　　设1维传热,热电偶测头表面介质温度为Tg,对流换热系数为αg,冷却端介质温度为Tf,对流换热系数为αf,则利用1维集总热容的数学模型,可得到测头表面温度T1(t)对Tg单位跃升时的响应函数为

　　式中:k与di均为与边界条件有关的实系数;pi为递减的负实数。因此,T1(t)式的右侧实际表现为一系列衰减的指数系列的叠加。实际上,尽管热电偶材料及表面换热系数会有所不同,对T1(t)具有显著影响的只是pi序列的前几个有限项。不失一般性,如果把上述函数简化为1阶系统,即为通常所定义的时间常数τg,其物理意义表现为介质温度Tg产生阶跃变化时,传感器膜面从其平衡温度Tw0变化到新平衡温度Tw∞的63.3%时所需时间,即其表达式为

　　比较式(1),相当于忽略了p_²及以后项时的情形。τ_^g=-1/p1,一般与αg成反比,而与ρcp成正比。

　　此外,薄膜热电偶动态响应的特征时间常数τw,是指当膜表面温度阶跃变化时,薄膜热电偶及其系统对此阶跃的响应,与式(2)类似的表达式可以如下给出:

　　式中:Tv_⁰为热电偶初读值;Tv∞为膜表面温度阶跃变化后无限长时间的热电偶读值。

　　上述分析可以说明τg和τw在物理意义上的区别,如图1所示。缸内燃烧时壁面温度波的测示可以描述成当火焰前锋到达缸壁测点表面时,气体温度的跃升(理想化为阶跃变化)能引起:(1)作为同质(或非同质)表面的膜面的温升;(2)传感器系统对膜面温升的响应。不难理解,设此整个过程的响应时间常数为τ,则应有τ=τg+τw,其中τg为过程本身的参数,而τw则为仪器参数,即τg和τw是温度波测示中的两个相串联的环节。

　　2　几种常见标定方法的分析

　　在此意义上,测试热电偶动态特性的基本目的就是为了确认表面温度法在实测中传感器系统对膜面温升的响应τw要小于传感器膜面对介质温升的响应τg一个数量级。因此,只要寻求一种方法,测出τw的大小,再与温度波的τ相比较,当τ>>τw或τ>10τw时,仪表的误差才可能忽略不计。