对大型船舶发动机中各装配件状态监测直接影响到发动机的性能与正常运转,其中对运转齿轮咬合接触面温度就是非常重要的一个指标[1]。常用的测温传感器有热电偶和热敏电阻器,其中,热电偶具有响应时间快、测温范围宽、上限高等特点[2]。测量齿轮咬合面的温度最重要的就是传感器的小型化和快速的响应能力,因为在工作齿轮间留给温度传感器安装的空间已经非常小,而且高速运转的齿轮,2个齿咬合时间一般不超过几十毫秒,如果没有足够的响应速度,根本无法准确反映真实齿面温度。所以,需选用小型化且响应时间快的温度传感器来对目标进行测量[3]。

目前,对于温度传感器静态特性的测试较为多见,如测量精度与测量范围[4]。而对其动态响应特性的测试则不是很多,主要是一些高校从理论角度的一些推导[5],对于实际测量只能提供理论依据,国外对于温度传感器动态响应测量比较主流的方法是利用激光激励温度传感器产生阶跃信号,得到相应温度曲线再进行计算[6]。该方法成本高且设备操作复杂。

本文以热电偶作为对象,设计了测量其动态响应测试系统,实现了准确、可靠的动态响应测试。

动态响应特性是传感器随时间变化的输入量的响应特性,表征了测量温度对实际温度跟踪的紧密程度,主要参数为动态响应时间。在进行动态响应测试时,选用阶跃信号,将热电偶的动态特性看成一阶惯性环节,温度传感器则作为一阶线性测量器件[7],其工作状态用微分方程表示为

式中τ为温度传感器的时间常数,可通过实验测定,Ti为待测温度随时间的变化规律,T为温度传感器所指示的温度函数,也就是记录仪器得到的实验结果。如τ过大,显然T≠Ti存在动态误差。

温度传感器的响应曲线如图1所示,动态响应测试点设定在全量程的63.2%处,其中,X为温度传感器动态响应时间[7]。

对接触式温度传感器的动态响应时间进行测试,其整个测试系统包括一套机械装置、热电偶、控制系统、接口电路及应用Lab VIEW平台编制的配套软件。其中,控制系统则包括自带控制器的cRIO NI—9074及其配套数据采集卡NI—9223、数字I/O卡NI—9403。

通过数字I/O卡控制电磁阀来控制系统机械装置,使其触发,数据采集卡实时对温度传感器的输出进行采集,采集到的测试数据经过应用软件计算得出时间常数并显示和储存。测试系统的结构如图2所示[8]。

测试系统机械装置如图3所示,由固定支架、窄带光电开关和挡光片、电磁阀控制销、活动平台及连杆、弹簧等部分组成。

活动平台用于固定温度传感器和简单的测量电路,由连杆负责带动传感器快速投入水中。销子由电磁阀控制,通电吸合,断电释放。顶端软丝可调,调整弹簧松紧度。窄带光电开关用于测量传感器入水速度,当挡光片切割光电开关时,产生2个脉冲,根据脉冲时间间隔可计算得到入水速度。

初始状态时,销子插入连杆侧面楔口,固定连杆,压紧弹簧。测试开始时,由计算机启动脉冲,电磁阀通电吸合,销子被吸出,活动连杆在自身重力和弹簧弹力的作用下,带动平台上的温度传感器一起向下运动,使得温度传感器可以迅速插入水中。

使用Lab VIEW编程语言在Windows XP环境下构建测试系统的软件平台。

软件界面提供参数设置和启动及停止按键,通过配置数据采集卡和数字I/O卡,实现电磁阀的控制,并控制数据采集卡进行数据采集。最后,软件对采集数据分析处理,实现显示、存储等功能。软件原理框图如图4所示,分为数据采集子程序和继电器控制子程序2个部分,分别实现传感器输出信号测量和机械装置控制[9]。

其中,动态响应时间计算部分的程序如图5所示。

传感器在落入水中之前有一段行程,该行程内空气与恒温水有对流换热过程。因此,温度传感器在入水时的温度值不是常温,必然受到液面上方温场的影响。

传感器的瞬态能量平衡方程

式中Tg和Tj分别为介质和传感器瞬态温度,h为气体与传感器之间的表面传热系数,ρ,V,CP,A分别为温度传感器的密度、体积、比热和表面积,t为时间。

根据上式,ρ,V,CP,A与传感器有关,当传感器固定,可以认为这4个参量为常数。Tj为传感器瞬态温度,是液面上方温场与传感器进行热量交换后传感器入水临界状态的温度值。Tg为液面上方温度,该温度为气体距液面高度的函数,即温场分布函数。表面传热系数h与介质及温场分布有关,在测试环境中,可以认为介质系数为常数,即表面传热系数只与温场分布有关[10]。

在实际测试过程中,温场分布由标准温度计进行标定。对流换热现象较为复杂,要降低其影响主要采用以下2种方法:

1)减少运行时间:假设水面上方行程很小,传感器在空气温场中运动时间很短,此时即使传感器吸热,温度升高,温度升高值与恒温槽中液体温度值相差不少于20℃,依然可以视为阶跃温度。传感器入水前下落产生的温升可忽略。

2)降低温场的影响:在恒温水槽敞开式的环境中,如果无法满足传感器在空气温场中运行时间短的条件,空气温场对传感器影响较大,无法形成阶跃温升,传感器的动态响应效果不明显,需要改进方法。可考虑在恒温液面上方加一层隔热膜,隔绝液面和空气,隔热膜上方温度基本为常温。这样即降低了温场的影响,也缩短了传感器的行程。

从传感器接触水面至完全没入水中,传感器已经开始与水进行热量交换,即响应曲线的起点。如果传感器入水时间t很短,小于待测时间常数的10%,则可以忽略这段时间的影响,时间常数起点定为传感器完全没入水中那一时刻。

测试中传感器完全没入水中时间越短,温度阶跃越明显,因此,要求传感器入水具有一定速度。设传感器直径0.2 mm,时间常数10 ms,则入水时间应小于1 ms,入水速度应至少为5 m/s。因此,需要用光电测试平台对传感器入水速度进行标定。

所用的恒温水槽具有足够大的热容量,这样温度传感器放入后不致破坏原来的恒温条件。要求试验前后,温度变化小于0.1℃。

在恒容条件下,根据能量守恒定理,传感器入水的吸收的热量应该等于恒温水槽释放的热量。由热容计算公式

其中,ms和mw分别为传感器和水的质量;cS和cw分别为传感器和水的比热容;ΔTs和ΔTw分别为传感器和水在热量交换稳定后温度变化量[10]。

由于传感器型号不同、护管材料不同,比热容不同,需要根据测试具体检定。

采用K型热电偶,其上限比热容约为900 J/(kg·K),护管为橡胶,上限比热容约为1 800 J(kg·K),热电偶与护管质量比为1∶2,总质量约为5 g,传感器温度变化范围为由20~80℃,恒温水槽中水的体积为15 L,则传感器比热容为

因传感器投入而水温下降的幅度为(单位为℃)

由式(5)可得,装置受到热容量变化影响所引起的温降可以忽略不计。

选用偶丝直径为Φ0.08 mm的相同批次K型热电偶2支、偶丝直径为Φ0.02 mm的相同批次K型热电偶2支作为试验对象,试验分为6个步骤进行:

1)将1只温度传感器装入测试装置,并置于室温(20±5)℃环境中,在此环境下持续20 min以待温度传感器温度稳定;

2)设置恒温水槽的温度(不低于80℃),待其稳定约30 min;

3)将试验参数输入至软件对应位置,包括室温测量值、水温测量值,并设置采样率(不小于10 k Hz);

4)启动操作按钮,此时机械装置将温度传感器迅速投入恒温水槽预留的投射区内,同时测试系统开始采集数据,实时记录波形;

5)测试结束后,将温度传感器从水中提出,恢复到初始状态;

6)存储波形并记录界面显示的动态响应时间。

按照以上步骤进行实际测试,水温设定为80℃,采样率设置为500 k Hz,得到的温度传感器动态响应试验结果曲线如图6~图7所示。

将热电偶按同一种类分别进行3次试验,根据试验温度曲线和数据得到动态响应时间结果如表1、表2。

试验结果表明:热电偶的动态响应时间可达到ms级,在2种热电偶中,偶丝直径为Φ0.02 mm的K型热电偶动态性能优于偶丝直径为Φ0.08 mm的K型热电偶。测试系统软硬件均可正常运行并能够准确控制机械装置动作,系统可实现ms级测试,符合对热电偶动态响应特性的测试要求。

本文对接触式温度传感器热电偶的动态响应测试技术进行了研究并设计了测试系统,实现了对热电偶动态响应特性的测试,利用cRIO硬件平台与Lab VIEW软件平台实现整个测试过程的控制和测试数据的采集,并对引起系统测量误差的主要因素进行了分析,结合理论模型给出了计算公式与补偿方案。系统试验结果表明:本文所设计的动态响应测试系统可实现ms级测试,可满足对响应时间较快的热电偶动态响应特性的测试需要。