K型热电偶动态响应特性研究

　　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15 s,图2对应的时间常数τ为18 s。

　　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9 s和14 s。

　　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7 s和7.5 s。

　　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7.5 s,图4对应的时间常数τ为18 s。