基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试系统

1 引 言

    温度传感器的时间常数是动态温度测量中的一个重要参数，也是衡量温度传感器动态测试性能的重要指标，各个应用领域，对温度传感器的时间常数都有具体的要求。然而由于影响时间常数的因素很多且复杂，难以用理论计算的方法获得准确的数值，实际应用中都是采用实验测定的方法来获得所需的参数。因此设计功能完善的热电偶时间常数测试系统，在各领域的应用中具有很大意义。

2 系统原理分析

    系统由工控机、信号调理电路，A/D 采集、数据采集处理软件和打印机等部分组成，系统的测试原理如图 1 所示。

    信号调理电路对热电偶信号进行有关处理及放大，经过处理的信号由 A/D 采集，再由处理软件对数据进行分析处理，最后将处理结果打印输出。下面针对热电偶时间常数的测量原理加以分析：

    热电偶温度传感器的时间常数[1]：

    τ= WVC /（hA）      （1）

式中：W———热电偶材料的比重；

    V———体积；

    C———比热；

    h———导热系数；

    A———周围流体薄膜的面积。

由此可表明热点偶的时间常数由热电偶的材料、结构形式及测温环境等因素决定。

    热电偶对阶跃温度的响应为：

    T - T₀=（T_e- T_o）（1-e^{- t / τ}）      （2）

式中：T———热电偶指示温度；

    T_o———热接点初温；

    T_e———阶跃温度；

    t ——对阶跃温度的响应时间；

    τ ——热电偶时间常数。

    当 t=τ时，则有：T-T0=（T_e-T_o）（1-e^-1）=0.632（T_e-T_o），即时间常数是热电偶指示温度 T 与初始温度 T0之差达到温度阶跃（T_e-T_o）的 63.2%所需的时间[2]。

    由以上推论可知：

    对于热电偶温度传感器，时间常数是指示温度 T_e与初始温度 T_o之差达到温度阶跃（T_e-T_o）的 63.2%所需的时间。这是时间常数 τ 的定义，同时也说明了测量 τ 的方法。

    为了便于温度阶跃的实现，T_o可采用室温，T_e可以是一个可设定温度的恒温槽，测量时将热电偶直接插入恒温槽即可。

3 系统采集器设计

    系统是以工控机为硬件平台，测试数据的提取依靠数据采集设备来完成，采集器选用研华公司的PCL818L 数据采集卡，可以直接与工控机主板上的接口插槽相连，依靠相应的硬件驱动程序即可实现测试数据的采集，结构紧凑，开发工程量小。