在实际应用中, 为有效贴合不同场合的使用需求, 应设计各式各样专用的表面热电偶探头, 其传感器的结构设计需注意以下两个重要规则:一是使表面传感器在安置时, 能够得到最高的热接触和最小的机械应力;二是表面传感器必须进行绝缘或隔离, 以使其温度尽可能接近表面温度。

通过调研发现, 目前常见的表面热电偶探头类型中的凸型带状表面热电偶和弓形热电偶一般通用于金属或非金属表面, 且具有相对较高的测量准确度。

设计思路为贴合实际使用需求, 改进结构设计消除或减小系统误差, 提高测量的准确性。针对平板式表面温度源的工作表面温度测量, 充分考虑3种系统误差因素并参考凸型带状表面热电偶和弓形热电偶的设计方式, 提出适用于平板表面测温仪传感器的结构设计——平板带状表面热电偶。并拟研制一种自加压式热补偿表面热电偶探头, 设计思路如下:

(1) 选择如热电偶丝材料等热容量较小、热响应速度较快的元件作为表面传感器。

(2) 测温热电偶丝与平板表面接触采用沿等温线敷设。

(3) 接触处加高导热材料的集热片, 以增加对测温热电偶丝的供热。

(4) 采用热补偿法, 减小测温热电偶丝的散热。

(5) 探头内部采用弹簧加压, 外部装有4个可收缩支脚, 探杆处装有自重铜块, 保证传感器以恒定的角度和压力与被测表面接触。

(6) 探头下方增加外置防风罩, 避免环境风速影响被测表面的热平衡。

设计结构如图1所示。

(1) 传感器感温元件的选择

目前市场上大量存在的各种平板式电热恒温系统, 其工作平板表面温度一般可达到400℃以上, 而表面热电偶传感器比表面热电阻传感器具有更宽的工作温度范围和更快的响应速度, 同时机械性能较好, 结构上可塑性较强且具有设计简单的固有特点, 价格也稍微低一些。因此, 热电偶丝元件是表面测温传感器的一个较佳选择。表面热电偶传感器可以用于测量0~800℃范围内的表面温度, 热电偶电极的材料大部分是镍铬-镍硅 (K型) 。

(2) 传感器结构设计

传感器部分是平板带状表面热电偶, 具有弓形热电偶的支架结构, 也有凸型带状表面热电偶的带状电极测量结。所不同的是, 其内部设计有螺旋形弹簧和非金属压杆, 能将带状电极以适当恒定的压力压在被测平板表面。以极薄、平直的带状电极为集热片沿被测平板等温面敷设, 有效减小对原温场的影响。同时通过弹簧紧紧压在被测表面, 也减小了感温点与实际测温点的距离, 有效改善了非理想接触的情况。

(3) 传感器热补偿设计

表面热电偶采用平板带状结构的设计对三个部分的系统误差都具有明显的改善效果, 其测量误差仍受热电极和被测面的热导率不同影响, 沿测温热电偶的导出热流依然是影响测量误差的一个主要方面。由于导出热流的存在, 就是因为热电偶本身温度不同于表面温度, 存在温度差而产生。要改善这种情况就要减小温度差, 使热电偶尽量接近表面温度, 也就使得热流消失或减小。因此, 笔者进一步针对传感器部分采用了热补偿设计, 拟使用小功率的加热元件对接近被测面附近的传感器有关部分进行加热。

如图2所示, 热补偿表面热电偶有两个测量结, 即主测量结和辅助测量结, 辅助测量结是在距离主测量结上方几毫米处的微型加热器内进行辅助测量。测量时, 热电偶丝被小的加热元件加热, 通过调节电阻RT调节其加热功率, 使两个热电偶AB和BC的热电势相等。电势值的测量由测量仪表M通过切换开关位置“1”或“2”来确定, 当开关位于“2”, M的值为0时, T1和T2的热电势相等, 热电偶和被测表面之间没有热交换, 热电偶温度T接近于原始表面温度t。然后将开关置于“1”, M进行测量得到被测表面的真实温度。

(4) 手持式探头的自加压设计

探头的探杆上加有一定重量的铜块, 探头端部装有4个齿装的支脚支撑, 立在平板表面上。齿状支脚上端加有弹簧装置, 测量时由于上部铜块下压使支脚回收一定距离, 带状电极接触被测表面, 并在传感器内部螺旋形弹簧和非金属压杆的共同作用下, 使带状电极沿等温面平铺。自加压式设计最大限度避免了人为操作手持式探头引入的随机误差的影响, 主要是按压时传感器感温元件与表面接触的角度和压力。同时, 齿装支脚的设计尽量减小了与被测表面的接触, 避免了对被测表面温场的破坏。

(5) 传感器外置防风罩设计

除了三部分系统误差外, 影响平板表面温度测量准确性的一个最重要的环境因素就是表面处的空气流动, 即风速大小。如何消除或减小风速对表面散热的影响, 一方面是在规定风速条件的测量环境下测量;另一方面是积极从表面热电偶探头的结构上进行改进。因此, 笔者在传感器外部安置了适当大小的可以灵活拆装的防风罩。防风罩可有效防止空气快速流动对表面传感器和被测表面散热的影响, 减少了表面测量过程的不确定因素。同时, 由于防风罩形成的密闭空间, 在高温表面测量中, 防风罩内的空气温度会快速上升, 这对减缓传感器的导出热流也有一定的好处, 一定程度上起到了热补偿的效果。

根据上述的设计构想, 笔者试制了自加压式热补偿表面热电偶探头并拟对其性能进行测试。但是, 由于受制于缺乏一个非常平坦和稳定的表面热源, 对表面探头测量准确度的校准溯源变得非常困难。因此, 笔者提出采用专用的“标准表面温度计计量杯”的设计, 将其浸置于精密恒温槽上, 根据不同介质的选择可实现对表面热电偶探头的溯源。

如图3所示, 计量杯底部采用导热性能优越的表面抛光并镀银的紫铜材料, 在保证机械强度的前提下, 厚度尽可能薄, 一般控制在5mm左右。杯盖采用保温材料并在中间预留待测探头插孔, 杯子边沿处设计有一个标准温度计插孔。校准时, 将计量杯置于精密恒温槽上方, 保证底部全部浸入液体介质中。同时, 通过杯子边沿的卡扣设计将其固定好不要浮起来, 在标准器插孔插入标准温度计。当恒温槽内介质达到校准温度并足够稳定时, 将待测的标准表面热电偶测温探头直立放在计量杯的上表面进行测量, 将测量结果与标准温度计进行比较算出误差值。

解决好表面温度测量和溯源中存在的两个相互制约的问题, 即表面测温探头和表面温度源的校准, 是目前开展表面温度研究的重中之重。本文提出了一种自加压式热补偿表面热电偶探头的设计理念, 以期抑制或消除表面温度测量的误差, 提高测温准确度;同时, 也为目前市场上大量存在的各种平板式恒温电热系统表面温度的溯源, 提供了标准器设备, 特别是工作用表面温度计校准用的精密表面温度源的整机溯源。另一方面, 还提出了可用于标准表面温度计性能验证用的“标准表面温度计计量杯”的设计理念, 为进一步实现标准表面温度计溯源提供了解决方案。可见, 本文的设计理念在化解表面温度测量和溯源中存在的两个相互制约的问题上, 起到了一定的可供借鉴的积极作用。