表面温度传感器时间常数测量方法研究

吴方，杨新圆，王莉

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

表面温度传感器作为重要的温度测量仪器可以用于测量各种金属材料、塑胶、木材等固体表面的温度。为提高测量结果的准确性，通常表面温度传感器在使用前应进行检测，检测结果用于对测量结果进行修正。

表面温度传感器的检测方式依据被测物体的状态分为两种，当被测物体的表面温度不随时间变化时，使用静态检测方式，通过检测得出表面温度传感器的示值误差，用于对测量结果进行修正以得到准确的实际温度值。当被测物体的表面温度随时间变化时，使用动态检测方式，通过检测得出表面温度传感器的时间常数，用于对表面温度传感器进行动态响应误差的计算。

1 表面温度传感器时间常数测量方法现状

目前已有的表面温度传感器时间常数的测量方法是脉冲激光法，其工作原理是用高功率CO2激光器作为阶跃温度发生装置，当装置发生的激光光束打到表面温度传感器的感温元件上时，能使表面温度传感器经历一个阶跃温升过程，由示波器记录表面温度传感器对这种温度阶跃的响应，并根据响应曲线求出传感时间常数，此种方式使表面温度传感器的感温元件直接感受温度阶跃过程。

在实际工作中，通常是将表面温度传感器固定在被测表面上来测量动态变化的温度值，当被测物体表面发生温度阶跃变化时，由于受环境、材质、表面材料的厚度等影响，表面温度传感器的时间常数会与其感温元件直接感受阶跃温度变化的时间常数有所不同。本文介绍一种使用表面温度阶跃变化装置测量表面温度传感器时间常数的新方法，以获得更加准确的测量结果。

2 表面温度阶跃变化装置的组成及工作原理

表面温度传感器时间常数的测量关键是要提供能产生温度阶跃变化的工作表面，本文介绍的用于时间常数测量的表面温度阶跃变化装置由测量室、测量杯、冰水混合物储存室、温控系统和数据采集系统组成，见图1。

表面温度阶跃变化装置工作原理:表面温度阶跃变化装置的工作表面初始温度为室温，在装置的储存室中加入适量的冰和水，开启搅拌机使冰水充分混合在一起，然后打开装置储存室与测量室之间的进水控制阀门，使冰水混合物瞬间充满整个工作室的空间，此时在装置的工作表面上会产生一个从室温到零摄氏度的温度阶跃。

图1 阶跃变化表面温度装置结构图

3 时间常数的测量方法

使用阶跃变化表面温度装置测量表面温度传感器时间常数时按以下步骤进行:

1)表面温度传感器的固定和安装

测量表面温度传感器的时间常数时需要将其安装固定在测量装置的工作表面上，表面温度传感器的安装和固定使用带加载装置的自动位移机构。

首先将表面温度传感器安装在自动位移机构的夹具上，通过调整位移机构前后左右的摇杆，使表面温度传感器的感温元件位于测量装置工作表面的有效工作区域内，然后启动垂直方向自动位移程序使表面温度传感器按照设定高度缓慢向下移动，直至自动位移机构显示加载在表面温度传感器上的压力为8 N 时停止，此时表面温度传感器被固定在阶跃变化表面温度装置的测量表面上。安装固定工作完成后应保证表面温度传感器与测量装置的工作表面相垂直，同时表面温度传感器的测量表面还应与装置的工作表面紧密地贴合在一起。

2)测量前的准备

将混合比例为1 ∶1 的冰水混合物放置在装置的冰水储藏室内，开启搅拌电源，使冰水充分混合，以避免堵塞通向测量装置测量室的通道。

3)时间常数的测量

表面温度传感器安装完成后，在室温下稳定15 min即可开始进行时间常数的测量。启动测量程序，检查初始数据，确认程序工作正常后，打开测量装置冰水混合物储藏室与测量室之间的进水控制阀门。在冰水混合物充满装置测量室的整个空间时，装置工作表面的表面温度传感器会感受到一个温度阶跃变化的过程，装置中的高速数据采集器以1000 次/s 的速度采集整个测量过程中被测表面温度传感器的数据，不同时间常数，传感器所需记录时间不同，时间常数τ 越大，传感器稳定时间越长，通常表面温度传感器在经历10τ ～20τ 的时间后趋于稳定。通过对整个测量过程记录数据的分析和计算得到被测表面温度传感器的时间常数τ。

4 测量实例及分析

现以K 型的表面温度传感器为例，给出在表面温度阶跃变化装置上时间常数的测试数据及计算结果，说明时间常数的计算方法并对测量结果进行分析。由于高速采集器的采样次数为1000 次/s，数据量太大不便于全部列出，表1 中仅给出与计算时间常数有关的部分测试数据，表面温度传感器时间常数测量曲线图见图2。

图2 表面温度传感器时间常数测试曲线图

表1 表面温度传感器时间常数测试数据

时间常数是指表面温度传感器在温度阶跃过程中显示温度T 与初始温度T0之差达到温度阶跃量的63.2%所需要的时间。为计算时间常数需要确定阶跃过程的温度阶跃量、阶跃过程的起始温度值T0和与之对应的测量次数n0、阶跃过程的终止温度值T1。

阶跃过程起始温度值T0的确定:在曲线图中下降沿前端确定大概位置，点击曲线图，曲线图中会显示点击处的测量次数和对应的温度值，在时间常数测试数据中找到曲线图中显示的测量次数和对应的温度值，观察该温度值上下的测量数据，当某次测量值之后的所有测量值均小于该值时，该值即为初始温度值T0，表1 中第10796 次测量值对应的温度26.113℃即为初始温度T0，即T0=26.113℃，n0=10796。

阶跃过程终止温度值T1的确定:测量前根据表面温度传感器技术指标中给出的时间常数值，设定测量记录时间，测量完成后截取最后100 个测量数据的平均值作为阶跃过程终止温度值T1。

温度阶跃过程的初始温度值T0和终止温度值T1确定之后，按公式(1)计算温度阶跃量ΔT，按公式(2)计算阶跃量ΔT 的63.2%对应的温度值T63.2%，按公式(3)计算时间常数τ。

依据表1 测量数据可以得出:

ΔT=T0-T1=26.113-0.193=25.920(℃)

T63.2%=ΔT·63.2%=25.920·63.2%=16.381(℃)

温度阶跃量ΔT 的63.2%对应的温度值T63.2%计算得出后，在时间常数测试数据表中找到与计算得出的温度值T63.2%最接近的测量次数值。在表1 中与16.381℃最接近的温度值为第11125 次测量值，对应的温度值为16.396℃，即n63.2%=11125。该表面温度传感器的时间常数为

τ=(n63.2%-n0)/1000

=(11125-10796)/1000=0.33(s)

实际工作中时间常数的计算工作由时间常数计算软件完成。用阶跃变化表面温度装置测量表面温度传感器的时间常数时，阶跃起始时刻时间记录误差、阶跃终止时刻时间记录误差、数据采集卡的采集周期、测量重复性、导热板厚度、阶跃量的63.2%对应的测量次数的选取不精确，都会给测量结果带来不确定度，经分析计算用该装置测量时间常数时，其测量结果的不确定度约为0.06 s。

5 结束语

本文介绍的表面温度传感器时间常数的测量方法，采用可以模拟表面温度传感器工作状态的测量装置，即在时间常数测量装置的工作表面上产生温度阶跃变化的过程，此方法更加贴近表面温度传感器使用时的情况，因而测量结果更加真实、准确。作为一种新的时间常数的测量方法，对用于测量动态变化温度的表面温度传感器的使用具有一定的参考价值。

［1］王魁汉.温度测量技术［M］.沈阳:东北工学院出版社，1991.

［2］国家技术监督局.JJF1049-1995 温度传感器动态响应校准［S］.北京:中国计量出版社，1995.

［3］张东风.热工测量及仪表［M］.北京:中国电力出版社，1994.

［4］罗蔚茵，许煜寰.热学［M］.广州:中山大学出版社，1982.