胡俊宏,姜 帥,夏春明,李珊珊

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870； 2.沈陽東大傳感技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110117)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展與生產(chǎn)水平的逐步提高，人們在生產(chǎn)生活中對于溫度的測量與控制有著更高的要求。為了提高控制性能達(dá)到理想的預(yù)期效果，就必須保證溫度傳感器對于所測的物理量信號變化能夠及時感測并且將其準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘朳1-3]。熱電偶是測溫儀表中常用的測溫元件，由于熱電偶具有對溫度響應(yīng)靈敏、制作簡單、性能穩(wěn)定且測溫范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金化工、機(jī)械制造、醫(yī)藥、水泥、玻璃、國防軍事等工業(yè)測控領(lǐng)域中[4，5]。由于時間常數(shù)是衡量熱電偶動態(tài)性能的重要指標(biāo)之一，其值的大小反映了熱電偶熱響應(yīng)時間的快慢[6]。因此也是廠家選購和使用熱電偶的重要依據(jù)，所以對熱電偶時間常數(shù)的測量具有重要的工程意義。常見熱電偶工作溫度范圍在-200℃到2 800℃不等[7-9]。熱電偶時間常數(shù)受很多因素的影響，包括制作熱電偶的材料、幾何參數(shù)以及測量環(huán)境中的水域溫度、水流速度等[10-12]。因此設(shè)計一套能夠準(zhǔn)確測量熱電偶時間常數(shù)的測試系統(tǒng)具有重要意義。

本文設(shè)計了一套熱電偶溫度傳感器時間常數(shù)測量系統(tǒng)。在分析了K型熱電偶時間常數(shù)特點(diǎn)的前提下，基于Visual C++6.0開發(fā)一款用于驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716L的MFC軟件，通過該軟件采集與分析數(shù)據(jù)。計算機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC控制分揀機(jī)構(gòu)進(jìn)行分揀操作。通過實(shí)驗室和現(xiàn)場實(shí)驗，證明了該設(shè)備所測結(jié)果的有效性和可靠性。

1 時間常數(shù)測試原理

由于溫度傳感器的溫度變化曲線是反映實(shí)測溫度隨著時間變化而變化的曲線，傳統(tǒng)模型認(rèn)為其變化曲線特性符合一階線性系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性[13]。根據(jù)一階線性系統(tǒng)響應(yīng)特性，其響應(yīng)狀態(tài)方程可表示為

(1)

式中，τ為熱電偶時間常數(shù)；T為熱電偶實(shí)測溫度；T0為熱電偶初始溫度；T1為最終溫度；t為階躍所需時間。

當(dāng)t=τ時，式(1)變?yōu)?/p>

T-T0=(1-e-1)(T1-T0)=0.632(T1-T0)

(2)

當(dāng)熱電偶實(shí)際溫度升到最終溫度T1與初始溫度T0差值的63.2%處所用的時間為熱電偶的時間常數(shù)值。熱電偶隨溫度動態(tài)響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 熱電偶溫度階躍響應(yīng)曲線

熱電偶的工作原理是半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)，又叫塞貝克效應(yīng)[14]。根據(jù)冷端與熱端溫度不同，組成熱電偶的兩種不同半導(dǎo)體在這種狀態(tài)下將產(chǎn)生電勢差[15]。當(dāng)兩種電子密度不同的半導(dǎo)體接觸時，導(dǎo)致兩個方向電子擴(kuò)散率不同，在兩半導(dǎo)體接觸面上形成靜電場，阻礙擴(kuò)散運(yùn)動，加速反向運(yùn)動。一旦達(dá)到動態(tài)平衡，在兩種半導(dǎo)體間將形成電勢差，稱為接觸電勢[16-18]。當(dāng)溫度傳感器的兩種制造材料一定時，所產(chǎn)生的電勢差僅與熱端溫度有關(guān)。溫度越高，電子越活躍，所產(chǎn)生的接觸電勢差越大[19]。

本次用于實(shí)驗的熱電偶類型均為K型熱電偶，用于標(biāo)定熱電偶時間常數(shù)測試實(shí)驗條件為：室溫25℃，水域恒溫95℃，水流速度0.3～0.5 m/s。然后通過同步數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716L對熱電偶由室溫到水溫產(chǎn)生的信號進(jìn)行測量，通過計算機(jī)對采集的數(shù)據(jù)處理，從而獲取熱電偶的動態(tài)響應(yīng)曲線。通過算法尋找達(dá)到階躍溫度(T1-T0)的63.2%時刻，確定時間常數(shù)τ值。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試系統(tǒng)硬件組成

熱電偶測試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。觸摸屏作為操作盤接受人工操作。使用PLC作為控制器。數(shù)據(jù)采集裝置由數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716與隔離熱電偶輸入模塊ADAM-3011組成，用于采集數(shù)據(jù)。

圖2 熱電偶測試系統(tǒng)示意圖

PLC控制機(jī)械手夾持待測熱電偶伸入恒溫水槽，經(jīng)隔離熱電偶輸入模塊ADAM-3011將信號放大，由PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡獲取電壓信號并輸入計算機(jī)，通過軟件分析獲取時間常數(shù)值，根據(jù)預(yù)設(shè)的分檔規(guī)則自100 ms起每10 ms為一個檔位，在計算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行分檔處理。數(shù)據(jù)處理后通過數(shù)據(jù)采集卡的六個開關(guān)量輸出通道將測量結(jié)果發(fā)送給PLC，使其控制分揀系統(tǒng)將該熱電偶送入對應(yīng)檔位。

2.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的軟件選用Visual C++ 6.0軟件與研華官方提供的DAQPro控件進(jìn)行編寫，測試軟件分為三個模塊。分別是時間常數(shù)測量模塊、穩(wěn)定性檢驗?zāi)K與歷史記錄查看模塊。測試系統(tǒng)軟件如圖3所示。所編寫的軟件操作界面如圖4所示。

為了測試該設(shè)備的穩(wěn)定性，現(xiàn)要求對于同一只熱電偶進(jìn)行多次測量，根據(jù)廠家要求，多次測量結(jié)果極差不大于20 ms，即可認(rèn)為穩(wěn)定性較為可靠。該設(shè)備穩(wěn)定性校驗?zāi)K流程圖如圖5所示。

圖3 時間常數(shù)測量模塊流程圖

圖4 軟件操作界面

圖5 穩(wěn)定性校驗?zāi)K流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

一般認(rèn)為熱電偶動態(tài)響應(yīng)曲線符合一階線性系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的單指數(shù)函數(shù)數(shù)學(xué)模型[20-21]。將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)輸入到軟件內(nèi)存中，作為原始數(shù)據(jù)。由于熱電偶測試入水前存在被水蒸氣加熱的過程，通過實(shí)驗修正，以極差的5%作為熱電偶入水時刻的起始點(diǎn)值，達(dá)到極差60%處的時間τ′開始求時間常數(shù)，以實(shí)測曲線與τ′的標(biāo)準(zhǔn)曲線的方差為考查量，向最大值方向一維搜索。經(jīng)過迭代后求出方差最小的時刻所對應(yīng)的時間即為時間常數(shù)τ。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗結(jié)果

本文測試的熱電偶均為鎳鉻-鎳硅制造的 鎧裝K型熱電偶。對一只該型號熱電偶進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗條件水溫為94℃，室溫約為25℃，水流速0.4 m/s。按圖4流程圖操作軟件。當(dāng)PLC有測試觸發(fā)信號時，軟件開始進(jìn)行測量。經(jīng)過測量，得時間常數(shù)值為0.168 s，現(xiàn)場測試曲線如圖6所示。

圖6 時間常數(shù)測試結(jié)果

由圖6可以看出，所求的時間常數(shù)τ繪制處的曲線與實(shí)測曲線擬合程度較好，達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 測試結(jié)果重復(fù)性

為探求測試方法結(jié)果的可靠性，取同一熱電偶利用穩(wěn)定性校驗?zāi)K進(jìn)行測量，每次測量前需保證熱電偶已經(jīng)冷卻至室溫。測量結(jié)果如表1所示。

表1 K型熱電偶重復(fù)性實(shí)驗數(shù)據(jù)

對同一熱電偶時間常數(shù)測量的結(jié)果誤差不大于20 ms，可以認(rèn)定該設(shè)備所測的時間常數(shù)結(jié)果具備參考價值。

4 結(jié)束語

本文針對K型熱電偶的時間常數(shù)進(jìn)行了測量，設(shè)計了一臺從測量到分揀的自動化設(shè)備。經(jīng)過實(shí)驗室實(shí)驗與現(xiàn)場實(shí)際測量，該設(shè)備測試效率與檢測精度與傳統(tǒng)手工檢測相比都有極大提高。測試結(jié)果對熱電偶溫度傳感器的研究與應(yīng)用具有重要參考價值，對提高企業(yè)的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益具有顯著的效果。