一種用于高速氣流瞬態(tài)測溫的快速響應(yīng)熱電偶

摘要：為測量氣體高速流動過程中溫度的變化情況,人們對溫度傳感器的快速響應(yīng)特性提出了更高的要求.為此,采用直徑為30µm的銅絲和康銅絲,利用可控脈沖放電裝置焊接制作了T型快速響應(yīng)熱電偶,并測定了熱電偶動態(tài)響應(yīng)特性,得到該熱電偶時間常數(shù)約為40ms.考慮到熱電偶絲對感溫結(jié)點附近流體狀態(tài)的影響,以及熱電偶的鎧裝結(jié)構(gòu)對測點附近流場的影響,快速響應(yīng)熱電偶使用新型鎧裝結(jié)構(gòu),感溫結(jié)點裸露,具有更高的可靠性和更好的動態(tài)響應(yīng)特性.
       應(yīng)用快速響應(yīng)溫度傳感器測量高速氣流的溫度變化趨勢,在一些研究中顯得尤為重要,如乙醇液滴撞擊鎳的高溫?zé)岜砻婧螽a(chǎn)生瞬間過渡沸騰現(xiàn)象,空調(diào)壓縮機(jī)和再生器的工作過程控制2，內(nèi)燃機(jī)表面的溫度測量B4,航天器飛行過程中表面溫度的研究凹等對于瞬態(tài)測溫，普遍應(yīng)用的方法有薄膜熱電偶測溫凹和熱電阻測溫凹針對轟爆氣體和火焰的溫度測量，其響應(yīng)時間為毫秒級,能滿足大多數(shù)研究的要求但是，這兩種熱電偶的售價高昂，而且進(jìn)口手續(xù)復(fù)雜，供貨期長，其鎧裝結(jié)構(gòu)會對原流場產(chǎn)生影響,導(dǎo)致測量不夠準(zhǔn).近年來，國內(nèi)學(xué)者也對瞬態(tài)測溫?zé)犭娕歼M(jìn)行了研究中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的周--欣和劉靜圖使用電解腐蝕的方法，用100μm普通熱電偶絲制作了尖端直徑在10~20um的熱電偶絲并制成熱電偶，但經(jīng)過腐蝕的銅絲無法保證直徑均勻,而且非常脆弱,焊接難度大，焊接成功率較低，以50um熱電偶絲焊接制成了時間常數(shù)為(118土1.64)ms的快速響應(yīng)熱電偶
       目前能夠在較為惡劣環(huán)境下使用的熱電偶，大多.數(shù)都使用保護(hù)套管鎧裝，把感溫結(jié)點與測量環(huán)境隔離開來這種方式雖能對熱電偶起到很好的保護(hù)作用,但是感溫結(jié)點想要感受到溫度變化，熱量需要先通過保護(hù)套管才能傳遞到感溫結(jié)點,導(dǎo)致響應(yīng)時間變長,無法滿足于高速氣流瞬態(tài)溫度測量110
因此，對于高速氣流瞬態(tài)測溫?zé)犭娕嫉难兄品浅１匾疚氖褂酶?xì)的熱電偶絲，采用更加合理的結(jié)構(gòu),制備了一種微細(xì)熱電偶，使其能夠在流道內(nèi)對高速氣流進(jìn)行測溫，且具有響應(yīng)迅速、測溫正確、制作成本低、實用性強(qiáng)等優(yōu)點
1快速響應(yīng)熱電偶測量原理
      兩種不同導(dǎo)體首尾相連組成閉合回路，如果兩個連接點的溫度不同，則會在回路中產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)，也叫做第一熱電效應(yīng)利用此效應(yīng)，使用微細(xì)銅絲和康銅絲焊接制成T型快速響應(yīng)熱電偶來測量兩結(jié)點的溫度差
      應(yīng)用于高速氣流瞬態(tài)測溫的快速響應(yīng)熱電偶不同于普通熱電偶，在使用中需要滿足以下幾點要求(1)足夠快的響應(yīng)速度,(2)良好的密封性;(3)足以應(yīng)對高速氣體沖擊的物理強(qiáng)度，(4)盡量不對原有的氣體流動狀態(tài)產(chǎn)生影響.
      熱電偶測溫時，感溫結(jié)點內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻明顯小于其表面的換熱熱阻、如尺寸為um級的熱電偶，對流速在2~300m/s范圍內(nèi)的低溫空氣測溫時，導(dǎo)熱熱阻比對流熱阻小3個數(shù)量級,Bi≤01,滿足集中參數(shù)法的適用條件因此,對此問題做分析時，采用集中參數(shù)法來解決其數(shù)學(xué)描述為

式中p,c,V,t分別為感溫結(jié)點的密度、比熱容、體積和溫度,tg為被測物體攝氏溫度,A為感溫結(jié)點參與換熱的表面積，h為復(fù)合傳熱系數(shù).在測溫過程中，感溫結(jié)點受到兩種熱量傳遞方式的同時作用:流體與感溫結(jié)點表面的對流傳熱，被測介質(zhì)及感溫結(jié)點周邊固體壁面與感溫結(jié)點的輻射傳熱因此,復(fù)合傳熱系數(shù)h可寫作

式中,h。為對流傳熱系數(shù),h為等效輻射傳熱系數(shù)
時間常數(shù)t。作為熱電偶動態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)，其定義式為
τc越小，則響應(yīng)速度越快,動態(tài)響應(yīng)特性越好.感溫結(jié)點可近似看作球體,將球體體積公式和表面積公式分別帶入時間常數(shù)定義式,得

      由于密度ρ和比熱容c均為常數(shù)，因此想要使時間常數(shù)減小，就要減小半徑r,增大復(fù)合傳熱系數(shù)ht
     在一定流速下，對流傳熱系數(shù)可近似用流體外掠圓球的經(jīng)驗公式計算

      式中,λ,u,ν,a分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)、速度、運動黏度、熱擴(kuò)散率;l為特征長度,此處為球體直徑d;η∞為遠(yuǎn)處來流的動力黏度;ηw為球體表面流體的動力黏度.式(6)中只有特征長度和氣流速度為變量,其他參數(shù)均為一定溫度下的常數(shù).由此可知,要得到理想的對流換熱系數(shù),主要考慮氣流速度和感溫結(jié)點尺寸.
      由于被測氣體的物性參數(shù)各有不同,對不同氣體測溫時,感溫結(jié)點表面的等效輻射傳熱系數(shù)計算也不同.對于高溫?zé)煔鈱Ω袦亟Y(jié)點的輻射傳熱,等效輻射傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式[13]為

      式中,σ0為玻爾茲曼常數(shù),εf為煙氣黑度,εtc為感溫結(jié)點表面黑度,Tf為煙氣的開氏溫度,Ttc為感溫結(jié)點的開氏溫度.除了感溫結(jié)點的表面黑度,其他參數(shù)均與熱電偶本身無關(guān),而表面黑度又很難被干預(yù).用感溫結(jié)點尺寸為μm級的熱電偶測量高溫?zé)煔鉁囟葧r,溫度低于500K的煙氣對感溫結(jié)點的等效熱輻射傳熱系數(shù)與其對流傳熱系數(shù)相差3個數(shù)量級;煙氣溫度高于500K時,僅相差兩個數(shù)量級.因此,煙氣輻射傳熱在溫度較低時可忽略不計.
     感溫結(jié)點與周邊固體壁面的輻射傳熱引起的相對誤差δ可用下式計算[11]:

      式中,C0為黑體輻射系數(shù),tf為煙氣的攝氏溫度,Tw為流道內(nèi)壁的開氏溫度.由式(8)可知,對流傳熱系數(shù)hc與相對誤差δ成反比.對于流速較大的氣體,感溫結(jié)點表面的對流傳熱系數(shù)較大,因此誤差較小.
綜上,測量高速氣體瞬態(tài)溫度變化,它的對流傳熱部分與流體速度及感溫結(jié)點直徑大小有關(guān).速度越大、直徑越小,則對流換熱系數(shù)hc越大.對流傳熱也影響感溫結(jié)點周邊的壁面輻射帶來的誤差.對流傳熱系數(shù)越大,則相對誤差越小.
2快速響應(yīng)熱電偶的制作
2.1熱電偶絲材料選擇
      在制作熱電偶的過程中,由于熱電偶絲的直徑非常小,難以觀察和操作,制作本身有很大難度.為節(jié)省成本,采用便宜易得的T型熱電偶(銅-康銅熱電偶).T型熱電偶的使用溫度為−200~300°C[14,15],滿足一般流體測溫要求;而且T型熱電偶精度高、熱電極均勻性好,在測溫范圍內(nèi)靈敏度也比較高.市面上能夠購買到的T型熱電偶微細(xì)熱電偶絲直徑有30,40,50µm.
2.2熱電偶感溫結(jié)點焊接
      熱電偶感溫結(jié)點半徑越小,時間常數(shù)越小.感溫結(jié)點由兩種熱電偶絲熔焊而成.焊接過程中需要注意對各種變量的控制,主要有焊接電壓的大小、焊接的持續(xù)時間等.這些變量決定了焊接時電火花所產(chǎn)生的熱量大小.發(fā)熱量大,則熔融的偶絲長度較長,感溫結(jié)點直徑較大;反之則小.焊接時要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)節(jié)這些變量大小,得到理想尺寸的感溫結(jié)點.在焊接比較理想的情況下,感溫結(jié)點半徑一般為熱電偶絲半徑的2~3倍[16].
開始焊接之前,由于銅絲外層涂有絕緣漆,首先對焊接端進(jìn)行脫漆處理.具體操作:用電烙鐵頭蘸上松香,高溫使松香熔化.將漆包線接觸松香,當(dāng)達(dá)到一定溫度時絕緣漆脫落.之后用棉簽蘸少量酒精,擦去銅絲表面殘渣.為了使熱電偶的焊接結(jié)點足夠小,兩種熱電偶絲的接觸必須足夠緊密.為此,先將處理過的銅絲與康銅絲鉸接,擰成致密的麻花狀,完成后用剪刀將端部裁剪整齊(鉸接段越短越好),然后采用可控電容放電裝置進(jìn)行焊接[16].焊接時,將鉸接后的端部輕觸碳棒,產(chǎn)生電弧,將兩種金屬絲焊接在一起.焊接時接觸碳棒不可太用力,否則焊接端容易在外力作用下拉開,導(dǎo)致焊接失敗.整個焊接過程應(yīng)一氣呵成,切忌多次焊接,否則易使焊接后的結(jié)點變大且表面不光滑,易產(chǎn)生氣孔和裂紋,且表面氧化現(xiàn)象嚴(yán)重,影響測量精度和準(zhǔn)度.焊接完成之后,將焊接點置于數(shù)字顯微放大鏡下,通過計算機(jī)屏幕觀察焊接點是否呈一個光滑的圓球狀、尺寸是否較小、外形是否對稱,以保證感溫結(jié)點有足夠快的響應(yīng)速度和足夠的拉伸強(qiáng)度.否則,剪掉之前打磨焊接過的部分,重復(fù)上述焊接過程.焊接成功后,在顯微鏡觀察下,將焊接前鉸接在一起的鉸接段慢慢繞開,只留
下一個結(jié)點.這樣熱電偶只有唯一的感溫結(jié)點,避免了兩根偶絲因焊接點外其他地方接觸而對測量結(jié)果造成影響.
      采用直徑為30µm的銅絲和康銅絲.經(jīng)過多次焊接,測得焊接結(jié)點(感溫結(jié)點)均在100µm以內(nèi),重復(fù)性較好.圖1為數(shù)字顯微鏡下的自制熱電偶焊接結(jié)點(感溫結(jié)點)放大圖.圖1(a)是熱電偶最終狀態(tài)時的照片,直徑為80µm;圖1(b)是熱電偶焊接時的狀態(tài).

2.3熱電偶的鎧裝結(jié)構(gòu)設(shè)計
     由上文分析可知,用熱電偶進(jìn)行氣體測溫時,氣體流速越大,熱電偶響應(yīng)速度越快.在實際應(yīng)用中,為了使熱電偶能夠滿足實際工況要求,一般都需要對其進(jìn)行鎧裝保護(hù).而不太合理的鎧裝結(jié)構(gòu)會對熱電偶周圍的流場產(chǎn)生較大影響,導(dǎo)致測溫不正確.C5型號熱電偶為例,為了保證熱電偶感溫結(jié)點的物理強(qiáng)度,防止感溫結(jié)點因長時間受到摩擦、沖刷、撞擊、腐蝕等而脫落或斷裂,將熱電偶絲鋪設(shè)在特定材料(如陶瓷、剛玉)的基體上.這樣的結(jié)構(gòu)勢必會對測點附近的流場產(chǎn)生很大影響,因此這種結(jié)構(gòu)更加適合流體沖刷嚴(yán)重的場合.而在對普朗特數(shù)較小的氣體測溫時,氣流流速較慢,就會產(chǎn)生較大的測量誤差.所以,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,必須考慮如何減小對原流場的影響.
     熱電偶絲的存在也會對感溫結(jié)點附近流體的狀態(tài)產(chǎn)生影響.熱電偶的時間常數(shù)有所差別.按照圖2所示的熱電偶感溫結(jié)點與熱電偶絲的空間位置,當(dāng)流體速度方向與X方向一致時,所得時間常數(shù)最小;流體速度方向與Z軸方向一致時,時間常數(shù)最大.因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)盡量使流體方向與X方向一致,以獲得最好的響應(yīng)特性.但是熱電偶絲太細(xì),難以達(dá)到這個目的.因此考慮將熱電偶絲的夾角增大,以減小熱電偶絲的影響.

      綜合以上兩點,設(shè)計了如圖3所示的結(jié)構(gòu).兩根熱電偶絲分別從毛細(xì)管中穿出,毛細(xì)管提供支撐防護(hù)并避免相互接觸短路,使感溫結(jié)點(測點)遠(yuǎn)離鎧裝結(jié)構(gòu)基體,減小基體對測點附近流場的影響.感溫結(jié)點與流體直接接觸;兩根毛細(xì)管分別固定到不銹鋼管內(nèi)壁兩側(cè),將兩熱電偶絲分隔開,使得兩根熱電偶絲之間夾角增大,從而減小熱電偶絲對測點流體狀態(tài)的影響.在實際測溫時,流體流經(jīng)圓柱狀的毛細(xì)管時可能會產(chǎn)生振動,為了防止熱電偶絲因毛細(xì)管振動而被拉斷,熱電偶絲不能被約束太緊.

2.4熱電偶的鎧裝結(jié)構(gòu)制作
     鎧裝結(jié)構(gòu)如圖3所示.具體制作過程:首先將焊接好的熱電偶絲穿入陶瓷毛細(xì)管,陶瓷管能起到很好絕緣效果并提供支撐.在陶瓷管外再套一層直徑為0.1mm的不銹鋼毛細(xì)管,用來增加強(qiáng)度保護(hù)陶瓷管,防止陶瓷管被高速氣流沖擊而折斷.將感溫結(jié)點暴露于兩陶瓷毛細(xì)管的中心位置.陶瓷管和不銹鋼毛細(xì)管均穿入粗不銹鋼管一定長度,在毛細(xì)管末端套上橡膠管,將熱電偶絲與不銹鋼管內(nèi)壁隔離開來,保證熱電偶絲與不銹鋼管絕緣,避免熱電偶絲與不銹鋼管接觸而引入干擾信號.為了保證密封性,不銹鋼管內(nèi)需要注入足夠的環(huán)氧樹脂,樹脂密封層內(nèi)不應(yīng)有氣孔、夾層.絕緣橡膠管割出若干小口,以便環(huán)氧樹脂流入.注入環(huán)氧樹脂后,將封裝的熱電偶傳感器放入高溫恒溫室固化,溫度設(shè)置為40~50°C.溫度不宜太高,也不宜太低.若溫度太高,環(huán)氧樹脂內(nèi)部會產(chǎn)生小氣孔,影響密封性;溫度太低,則流動性差,內(nèi)部填充不均勻、不充分,且固化時間長.
圖4為自制熱電偶實物圖,圖中對可見部分做了標(biāo)識.自制熱電偶主要由3部分組成:鎧裝部分、密封及定位組件、補(bǔ)償端插頭.補(bǔ)償端插頭為公頭,在實際應(yīng)用時有母頭與之配套,母頭側(cè)為熱電偶冷端及補(bǔ)償線.

3微細(xì)熱電偶時間常數(shù)的標(biāo)定
      由于影響時間常數(shù)的因素非常多,且比較復(fù)雜,如感溫結(jié)點與熱電偶絲之間的熱傳導(dǎo)、感溫結(jié)點與所處環(huán)境之間的熱輻射和熱對流,難以用理論計算的方法獲得正確的數(shù)值解,因此實際應(yīng)用中采用實驗測定方法獲得其時間常數(shù).給熱電偶測溫點一個定量的溫度階躍,以熱電偶溫度階躍的63.2%所對應(yīng)時長(時間常數(shù)的定義)來表示熱電偶的動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù),用公式表示為

     式中u0為熱電偶初始電動勢,ub為激光照射下感溫結(jié)點溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡時的電動勢.得到u0和ub后即可得到ug,查找ug對應(yīng)的時刻τg,減去溫度階躍的開始時刻τ0即可得時間常數(shù)τc.
      對于毫秒級熱電偶時間常數(shù)的測定,較為理想的溫度階躍是必需的.溫度階躍的上升時間要遠(yuǎn)小于熱電偶的時間常數(shù),這樣才能使測量結(jié)果具有較高的正確性和可靠性.常用的實驗方法主要有投入法[18]、熱風(fēng)洞法[19]、電加熱法、激波管法[20~22]等.這幾種方法各有優(yōu)缺點,通過對比綜合考慮,本文在對實驗方法進(jìn)行了改進(jìn)完善,使用激光對熱電偶進(jìn)行加熱,獲得了較理想的正、負(fù)溫度階躍.實驗系統(tǒng)如圖5所示.
     實驗系統(tǒng)主要由控制開關(guān)、激光發(fā)射器、熱電偶、補(bǔ)償端、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等部分組成.標(biāo)定開始前,將整個標(biāo)定系統(tǒng)置于恒溫、氣流穩(wěn)定、無大型用電設(shè)備的室內(nèi)(防止信號干擾).由手控開關(guān)發(fā)出信號,控制光耦隔離器的開關(guān),光耦隔離器啟動,觸發(fā)晶體管導(dǎo)通,激光器開始工作.熱電偶受到激光照射后溫度迅速上升,示波器通道一采集熱電偶產(chǎn)生的電信號.同時光耦隔離器的輸出端并聯(lián)一路到示波器的通道二,通道二中信號突變瞬間即為溫度階躍的開始時刻.光耦隔離器的觸點開關(guān)響應(yīng)時間為4.9µs,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通電子開關(guān)的動作時間,也小于熱電偶的時間常數(shù),對標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生的影響可忽略不計.用光耦隔離器將手控開關(guān)信號與激光器電源信號隔離開來,采用無觸點開關(guān),避免手控開關(guān)的觸點動作所需時間給標(biāo)定結(jié)果帶來干擾.
      為了驗證熱電偶絲直徑、焊接結(jié)點尺寸與時間常數(shù)之間的關(guān)系,用直徑為30,40,50µm的熱電偶絲分別焊接制成熱電偶,并進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定實驗.
4標(biāo)定結(jié)果分析
      圖6所示為直徑30µm銅-康銅自制熱電偶對溫度階躍的響應(yīng)曲線圖,橫坐標(biāo)為時間,縱坐標(biāo)為熱電偶的輸出信號.可以看出,標(biāo)定過程分為3個階段:正階躍階段、動態(tài)平衡階段、負(fù)階躍階段.從0.5s處開始為正階躍階段,激光開啟,對熱電偶感溫結(jié)點進(jìn)行加熱,感溫結(jié)點受到激光輻射傳熱;與此同時,感溫結(jié)點還與周圍環(huán)境存在熱輻射和自然對流傳熱,但激光輻射能量遠(yuǎn)大于熱電偶自身對外的散熱,溫度迅速上升.當(dāng)τ≥5τc時為動態(tài)平衡階段,激光熱輻射能量等于自身散失的能量,感溫結(jié)點溫度達(dá)到動態(tài)平衡.可以看出,在動態(tài)平衡階段,電動勢仍存在小的波動情況,這是由外界環(huán)境變化引起的,如周圍空氣自然對流等的影響.激光關(guān)閉,進(jìn)入負(fù)階躍階段,激光與感溫結(jié)點間的輻射換熱消失,熱電偶通過與周圍環(huán)境的熱輻射及自然對流散熱,溫度迅速下降并最終與環(huán)境溫度一致.

      熱電偶絲越細(xì),時間常數(shù)越小,響應(yīng)速度越快,但價格也越高,也為制作帶來了更大的難度.為了節(jié)省成本,針對不同的實驗要求,應(yīng)選擇適當(dāng)時間常數(shù)的熱電偶絲.本文對3種不同直徑的熱電偶絲所制作的熱電偶進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定,作為選擇的依據(jù).我們制作了多支不同直徑的熱電偶,并在盡量保證其他因素(如環(huán)境溫度、激光器輸出功率、環(huán)境氣流等)不變的情況下對其進(jìn)行了大量標(biāo)定實驗.在不同直徑的熱電偶中各挑選了一支熱電偶,將其中一次的實驗結(jié)果在圖7中展示.圖7(a)為熱電偶對溫度正階躍響應(yīng)曲線圖.3支熱電偶置于恒溫環(huán)境中,按直徑大小從小到大進(jìn)行測試,因此初始溫度基本一致.室溫隨著實驗進(jìn)行稍有上升,3支熱電偶的初始溫度分別為22.5,22.7,23.4°C.激光加熱功率不變,但由于感溫結(jié)點對焦情況不同,以及其物理性質(zhì)的差異,導(dǎo)致達(dá)到動態(tài)平衡時的最終溫度并不一致,略有差別,分別為309,355,334°C.溫度階躍幅值的不同會導(dǎo)致時間常數(shù)不同.溫度階躍幅值越大,則時間常數(shù)越大,但影響十分有限[17].實驗中3支熱電偶溫度階躍幅值差別不大,在實驗中造成的影響可忽略不計.

      可以明顯觀察到,直徑為30µm的熱電偶最先達(dá)到0.632倍階躍點,40µm熱電偶次之,50µm熱電偶最慢.計算得到3支熱電偶的正階躍時間常數(shù)分別為52.0,73.6,80.3ms,隨熱電偶絲直徑增大而增大.圖7(b)為熱電偶對溫度負(fù)階躍響應(yīng)曲線圖.為了對比方便,將3支熱電偶的初始時刻至于同一時刻.可明顯觀察到,3支熱電偶的響應(yīng)速度隨熱電偶絲直徑增大而減小,30µm熱電偶率先下降到0.368倍階躍點.計算得到的時間常數(shù)分別為39.2,60.2,75.1ms,與正階躍時間常數(shù)變化趨勢一致.
      圖8為熱電偶絲直徑與時間常數(shù)的關(guān)系圖.可以看出:(1)在相同條件下,隨著熱電偶絲直徑增大,熱電偶時間常數(shù)增大.其原因是熱電偶絲越粗,在相同制作方法下的焊接結(jié)點越大,熱容就越大.(2)對于同一支熱電偶,正階躍情況下的時間常數(shù)大于負(fù)階躍情況下的時間常數(shù).這是因為光沿直線傳播,正階躍時激光直射感溫結(jié)點,感溫結(jié)點只有正面部分受到激光輻射傳熱,背面不會受激光輻射而增加熱量,反而會向外輻射而損失熱量,導(dǎo)致整個表面輻射傳熱強(qiáng)度降低.而在負(fù)階躍時,熱電偶所有表面都參與到與環(huán)境之間的輻射以及自然對流傳熱中,因此散熱更快.所以在負(fù)階躍情況下標(biāo)定得到的時間常數(shù)更接近真值,故以負(fù)階躍時的時間常數(shù)作為此熱電偶的時間常數(shù).

     此外,從圖8還可以看出,正負(fù)階躍時間常數(shù)之間的差距隨結(jié)點直徑的增大而減小.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是,結(jié)點尺寸越大,熱電偶絲直徑也越大,熱電偶絲的導(dǎo)熱傳熱占比越大,因而熱電偶的正負(fù)階躍時間常數(shù)差減小.
表1列出了自制30µm熱電偶的6次標(biāo)定結(jié)果.從結(jié)果看出,30µm熱電偶在此實驗條件下正階躍時間常數(shù)為(52.6±2.6)ms,負(fù)階躍時間常數(shù)為(40.1±1.8)ms.

5結(jié)論
     以集中參數(shù)法為理論基礎(chǔ)分析了快速響應(yīng)熱電偶得到理想時間常數(shù)的制作要點,制作了以30µm銅絲和康銅絲為原材料的快速響應(yīng)熱電偶,并改進(jìn)實驗系統(tǒng)對自制熱電偶進(jìn)行了動態(tài)標(biāo)定,時間常數(shù)達(dá)到40ms左右.將直徑30µm與直徑40,50µm的自制熱電偶進(jìn)行了對比實驗,測定了其各自時間常數(shù)并得出規(guī)律.使用具有一定強(qiáng)度和良好氣密性的新型熱電偶鎧裝結(jié)構(gòu),以自制微細(xì)熱電偶為基礎(chǔ),制作了適用于容器中高速氣流瞬態(tài)測溫的熱電偶.目前該傳感器已投入科研項目的實際應(yīng)用,具有較高的使用價值.