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一种热电偶传感器时间常数测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热电偶传感器的时间常数测试技术，具体是一种热电偶传感器时间常数测试装置及方法。本发明解决了现有热电偶传感器的时间常数测试方法激励温度低、激励信号不理想、费用昂贵、具有破坏性及无法准确得到燃烧环境下的时间常数的问题。一种热电偶传感器时间常数测试装置，包括检定炉、线性伺服导轨、热电偶传感器、温控仪、伺服控制器、数据采集处理装置；其中，热电偶传感器固定于线性伺服导轨的滑块上，且热电偶传感器的测温端与检定炉的进口保持正对；温控仪的信号传输端与检定炉的信号传输端双向连接。本发明适用于各种热电偶传感器的时间常数测试，尤其适用于在燃烧温度场环境下的各种热电偶传感器的时间常数测试。

Description

一种热电偶传感器时间常数测试装置及方法
技术领域
本发明涉及热电偶传感器的时间常数测试技术，具体是一种热电偶传感器时间常数测试装置及方法。
背景技术
在动态温度测试领域，热电偶传感器的动态性能是影响测试精度的关键。由于热电偶传感器感温件的热惯性，使其在进行动态温度测试时存在动态误差。因此，对热电偶传感器进行动态校准是至关重要的，而热电偶传感器的时间常数是反映其动态特性的主要技术指标，故对热电偶传感器的时间常数进行测试是有必要的。在现有技术条件下，热电偶传感器的时间常数测试方法主要包括恒温水/油槽法、激波管法、热风洞法和激光法。恒温水/油槽法是利用水、油产生一个恒温场，利用快速插入或拔出的方法产生温度阶跃对热电偶传感器时间常数进行测试。恒温水/油槽法的问题在于其仅能产生较小的温度阶跃，不适用于高温热电偶传感器的时间常数测试。激波管法是利用激波管产生破膜压力，在入射激波波阵面后存在一个温度阶跃平台，以此来对热电偶传感器时间常数进行测试。激波管法的问题在于其激波压力会对热电偶传感器产生破坏，且产生的温度阶跃平台持续的时间很短，温度阶跃小。热风洞法是由内燃机或电加热器产生稳定的高温气流，通过机械弹簧装置或其它方法将热电偶传感器突然置于该高温气流中，使热电偶传感器的输入近似为阶跃温度输入。热风洞法的问题在于由于热源和低温界面模糊以及弹射速度等问题，使得温度输入并非为理想的阶跃信号，在校准小时间常数的热电偶传感器时产生难以估量的动态误差，且费用昂贵。激光法分为正阶跃法和负阶跃法，是利用激光加热快的特点，对热电偶传感器进行瞬态加热，产生阶跃温升。激光法的问题在于激光的持续加热使热电偶传感器温度一直上升，无法产生理想的阶跃温度信号，高功率激光直接加热会损坏热电偶传感器敏感面，且测试得到的热电偶传感器时间常数与燃烧场实际验证结果相差较大。综上所述，现有热电偶传感器的时间常数测试方法由于动态激励信号的产生方法所限，存在激励温度低、激励信号不理想、费用昂贵、具有破坏性及无法准确得到燃烧环境下的时间常数的问题，无法准确测试得到热电偶传感器的时间常数。基于此，有必要发明一种全新的热电偶传感器的时间常数测试方法，以解决现有热电偶传感器的时间常数测试方法存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有热电偶传感器的时间常数测试方法激励温度低、激励信号不理想、费用昂贵、具有破坏性及无法准确得到燃烧环境下的时间常数的问题，提供了一种热电偶传感器时间常数测试装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种热电偶传感器时间常数测试装置，包括检定炉、线性伺服导轨、热电偶传感器、温控仪、伺服控制器、数据采集处理装置；其中，热电偶传感器固定于线性伺服导轨的滑块上，且热电偶传感器的测温端与检定炉的进口保持正对；温控仪的信号传输端与检定炉的信号传输端双向连接；伺服控制器的信号传输端与线性伺服导轨的信号传输端双向连接；数据采集处理装置的信号输入端与热电偶传感器的信号输出端连接。
一种热电偶传感器时间常数测试方法（该方法是基于本发明所述的一种热电偶传感器时间常数测试装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
a.启动检定炉，检定炉内产生均匀温度场；然后，通过温控仪对检定炉内的温度场的温度值进行设定和显示，并向检定炉内通入惰性气体，以保护热电偶传感器不被氧化；同时，数据采集处理装置对热电偶传感器输出的温度值进行实时采集、存储和显示；
b.当温控仪显示的温度值趋于稳定时，通过伺服控制器启动线性伺服导轨，并通过伺服控制器对线性伺服导轨的滑块的行进速度和行进位置进行设定；然后，通过伺服控制器控制线性伺服导轨的滑块进行正向行进，滑块由此带动热电偶传感器快速进入检定炉内的温度场，热电偶传感器输出的温度值由此呈现为上升状阶跃响应曲线；
c.当数据采集处理装置显示的温度值趋于稳定或达到设定温度值的63.2%时，通过伺服控制器控制线性伺服导轨的滑块进行反向行进，滑块由此带动热电偶传感器快速退出检定炉内的温度场，热电偶传感器输出的温度值由此呈现为下降状阶跃响应曲线；
d.根据数据采集处理装置显示的阶跃响应曲线，计算得出热电偶传感器的时间常数；
e.重复执行步骤a-步骤d，由此计算得出多个时间常数；根据多个时间常数，计算得出时间常数的不确定度。
与现有热电偶传感器的时间常数测试方法相比，本发明所述的一种热电偶传感器时间常数测试装置及方法通过采用全新的测试原理，实现了对各种热电偶传感器进行时间常数测试（本发明可对长度为150mm-300mm、时间常数为20ms-60s的热电偶传感器进行时间常数测试，计算得出的时间常数的不确定度低于±5%；待测的热电偶传感器既可以是标准化分度热电偶传感器，如S型、R型、B型、K型、N型、J型热电偶传感器，也可以是非标准化分度热电偶传感器，如钨铼系、铂铑系、铱铑系热电偶传感器，既可以是杆式铠装热电偶传感器，也可以是丝状热电偶传感器，既可以是裸露型热电偶传感器，也可以是带保护壳型热电偶传感器），由此其具备了如下优点：一、与恒温水/油槽法相比，本发明可产生较大的温度阶跃，适合高、低温不同测温范围的热电偶传感器。二、与激波管法和热风洞法相比，本发明可产生一个稳态温度持续时间长的温度阶跃信号，且温度场高低温界面清晰，不易损坏热电偶传感器。三、与激光法相比，本发明可产生稳定的温度场，且得到的热电偶传感器时间常数在燃烧场环境下更加准确。本发明的应用实例如图2所示：待测的热电偶传感器为K型热电偶传感器，检定炉内的温度场的温度为1100℃，计算得出K型热电偶传感器的时间常数为39s。
本发明有效解决了现有热电偶传感器的时间常数测试方法激励温度低、激励信号不理想、费用昂贵、具有破坏性及无法准确得到燃烧环境下的时间常数的问题，适用于各种热电偶传感器的时间常数测试，尤其适用于在燃烧温度场环境下的各种热电偶传感器的时间常数测试。
附图说明
图1是本发明中一种热电偶传感器时间常数测试装置的结构示意图。
图2是本发明中一种热电偶传感器时间常数测试方法的应用实例示意图。
图中：1-检定炉，2-线性伺服导轨，3-热电偶传感器，4-温控仪，5-伺服控制器，6-数据采集处理装置，7-数据采集处理装置显示的达到稳定温度值的曲线，8-数据采集处理装置显示的达到设定值63.2%的温度值的曲线，9-设定温度值的63.2%对应的直线。
具体实施方式
一种热电偶传感器时间常数测试装置，包括检定炉1、线性伺服导轨2、热电偶传感器3、温控仪4、伺服控制器5、数据采集处理装置6；其中，热电偶传感器3固定于线性伺服导轨2的滑块上，且热电偶传感器3的测温端与检定炉1的进口保持正对；温控仪4的信号传输端与检定炉1的信号传输端双向连接；伺服控制器5的信号传输端与线性伺服导轨2的信号传输端双向连接；数据采集处理装置6的信号输入端与热电偶传感器3的信号输出端连接。
所述线性伺服导轨2为线性交流伺服导轨；所述伺服控制器5为交流伺服控制器；所述数据采集处理装置6包括热电偶传感器调理模块、数据采集及显示模块；热电偶传感器调理模块的信号输入端与热电偶传感器3的信号输出端连接；数据采集及显示模块的信号输入端与热电偶传感器调理模块的信号输出端连接。
一种热电偶传感器时间常数测试方法（该方法是基于本发明所述的一种热电偶传感器时间常数测试装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
a.启动检定炉1，检定炉1内产生均匀温度场；然后，通过温控仪4对检定炉1内的温度场的温度值进行设定和显示，并向检定炉1内通入惰性气体，以保护热电偶传感器不被氧化；同时，数据采集处理装置6对热电偶传感器3输出的温度值进行实时采集、存储和显示；
b.当温控仪4显示的温度值趋于稳定时，通过伺服控制器5启动线性伺服导轨2，并通过伺服控制器5对线性伺服导轨2的滑块的行进速度和行进位置进行设定；然后，通过伺服控制器5控制线性伺服导轨2的滑块进行正向行进，滑块由此带动热电偶传感器3快速进入检定炉1内的温度场，热电偶传感器3输出的温度值由此呈现为上升状阶跃响应曲线；
c.当数据采集处理装置6显示的温度值趋于稳定或达到设定温度值的63.2%时，通过伺服控制器5控制线性伺服导轨2的滑块进行反向行进，滑块由此带动热电偶传感器3快速退出检定炉1内的温度场，热电偶传感器3输出的温度值由此呈现为下降状阶跃响应曲线；
d.根据数据采集处理装置6显示的阶跃响应曲线，计算得出热电偶传感器3的时间常数；
e.重复执行步骤a-步骤d，由此计算得出多个时间常数；根据多个时间常数，计算得出时间常数的不确定度。
所述检定炉1内的温度场的温度范围为300℃-1500℃、厚度为20mm、均匀度为±1℃；所述线性伺服导轨2的滑块的行进速度为15m/s。

Claims (4)

1.一种热电偶传感器时间常数测试装置，其特征在于：包括检定炉（1）、线性伺服导轨（2）、热电偶传感器（3）、温控仪（4）、伺服控制器（5）、数据采集处理装置（6）；其中，热电偶传感器（3）固定于线性伺服导轨（2）的滑块上，且热电偶传感器（3）的测温端与检定炉（1）的进口保持正对；温控仪（4）的信号传输端与检定炉（1）的信号传输端双向连接；伺服控制器（5）的信号传输端与线性伺服导轨（2）的信号传输端双向连接；数据采集处理装置（6）的信号输入端与热电偶传感器（3）的信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种热电偶传感器时间常数测试装置，其特征在于：所述线性伺服导轨（2）为线性交流伺服导轨；所述伺服控制器（5）为交流伺服控制器；所述数据采集处理装置（6）包括热电偶传感器调理模块、数据采集及显示模块；热电偶传感器调理模块的信号输入端与热电偶传感器（3）的信号输出端连接；数据采集及显示模块的信号输入端与热电偶传感器调理模块的信号输出端连接。
3.一种热电偶传感器时间常数测试方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种热电偶传感器时间常数测试装置实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a.启动检定炉（1），检定炉（1）内产生均匀温度场；然后，通过温控仪（4）对检定炉（1）内的温度场的温度值进行设定和显示，并向检定炉（1）内通入惰性气体，以保护热电偶传感器不被氧化；同时，数据采集处理装置（6）对热电偶传感器（3）输出的温度值进行实时采集、存储和显示；
b.当温控仪（4）显示的温度值趋于稳定时，通过伺服控制器（5）启动线性伺服导轨（2），并通过伺服控制器（5）对线性伺服导轨（2）的滑块的行进速度和行进位置进行设定；然后，通过伺服控制器（5）控制线性伺服导轨（2）的滑块进行正向行进，滑块由此带动热电偶传感器（3）快速进入检定炉（1）内的温度场，热电偶传感器（3）输出的温度值由此呈现为上升状阶跃响应曲线；
c.当数据采集处理装置（6）显示的温度值趋于稳定或达到设定温度值的63.2%时，通过伺服控制器（5）控制线性伺服导轨（2）的滑块进行反向行进，滑块由此带动热电偶传感器（3）快速退出检定炉（1）内的温度场，热电偶传感器（3）输出的温度值由此呈现为下降状阶跃响应曲线；
d.根据数据采集处理装置（6）显示的阶跃响应曲线，计算得出热电偶传感器（3）的时间常数；
e.重复执行步骤a-步骤d，由此计算得出多个时间常数；根据多个时间常数，计算得出时间常数的不确定度。
4.根据权利要求3所述的一种热电偶传感器时间常数测试方法，其特征在于：所述检定炉（1）内的温度场的温度范围为300℃-1500℃、厚度为20mm、均匀度为±1℃；所述线性伺服导轨（2）的滑块的行进速度为15m/s。
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