熱電偶冷熱端動(dòng)態(tài)特性對測溫精度影響

摘要:反映熱電偶傳熱特性的時(shí)間常數是一個(gè)影響熱電偶測溫動(dòng)態(tài)誤差的大小的重要參數,往往會(huì )導致熱電偶動(dòng)態(tài)過(guò)程測量精度較低和控制系統的實(shí)時(shí)性較差等后果。以某型發(fā)動(dòng)機排氣測溫傳感器為原型,開(kāi)展了模型仿真和驗證試驗技術(shù)研究,得到了一種熱電偶測溫時(shí)城特性的分析方法,有助于發(fā)動(dòng)機控制系統控制算法、超溫保護策略?xún)?yōu)化和選代。
1模型建立
　　某發(fā)動(dòng)機排氣溫度測量中,熱端采用5支K分度熱電偶,冷端采用pt100溫度傳感器,電路原理框圖見(jiàn)圖1。
 
 
1.1熱端輸出模型
1.1.1仿真模型建立
　　利用FloEFD軟件對傳感器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。
 
1.1.2參數的設定
　　傳感器的端蓋.連接管等零件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti,套管、端蓋熱電極殼體等零件材料為高溫合金3039,熱電極內部填充材料為氧化鎂粉。按表1所示設置流體熱力學(xué)仿真分析邊界條件。氣流方向垂直于熱電極軸向。
 
1.1.3熱端仿真結果及分析
　　根據上述前處理方法設置傳感器的時(shí)間常數仿真分析,傳感器熱結點(diǎn)處表面平均溫度隨時(shí)間的變化規律如圖3所示。
 
　　式1為傳感器熱電偶絲熱結點(diǎn)(即傳感器測溫結點(diǎn))平均溫度隨時(shí)間變化的擬合公式。其中,T熱為溫度,t為時(shí)間。根據公式可知,傳感器熱電偶絲熱結點(diǎn)的表面平均溫度升至765.76℃時(shí),所需的時(shí)間t為2.3s,該時(shí)間即為傳感器的時(shí)間常數,當t接近6.8s時(shí)，傳感器達到熱平衡，其響應溫度接近于氣流溫度1200℃。
 
2.2冷端模型
2.2.1仿真模型的建立
　　利用FloEFD軟件對傳感器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
2.2.2傳感器材料參數的設定
　　傳感器外殼材料為不銹鋼1Crl8Ni9Ti，內部填充材料為玻璃纖維,感溫元件為pt100鉑電阻。按表2所示設置流體熱力學(xué)仿真分析邊界條件。流體速度方向垂直于測溫端軸向。
 
2.2.3仿真結果及分析
　　根據上述前處理方法設置傳感器的時(shí)間常數仿真分析,傳感器鉑電阻處表面平均溫度隨時(shí)間的變化規律如圖4所示。
 
　　式2為傳感器鉑電阻平均溫度隨時(shí)間變化的擬合公式。其中,T冷為溫度,t為時(shí)間。根據公式可知,傳感器測溫表面平均溫度升至102.16℃時(shí),所需的時(shí)間t為10.6s,該時(shí)間即為傳感器的時(shí)間常數,當t接近27.9s時(shí),傳感器達到熱平衡,其響應溫度接近于氣流溫度150℃。
 
2.3傳感器動(dòng)態(tài)綜合精度
　　系統的最終輸出溫度T輸為冷熱端溫度之差，根據式2和式3得出T輸出如式3所示:
 
3試驗驗證
　　將熱端和冷端同時(shí)從室溫放人100℃水槽內,通過(guò)時(shí)間常數測試儀和電勢信號存儲記錄儀分別記錄電阻變化曲線(xiàn)和熱電偶輸出電壓曲線(xiàn)變化.得出的結果見(jiàn)圖5。
 
4結論
　　根據試驗結果可知,冷熱端響應試驗的與仿真分析的趨勢一致。在4.375s之前由于熱端響應快于冷端補償的響應.輸出電勢急劇上升,在4.375s時(shí)達到峰值,在4.375s之后由于冷端補償逐漸響應,輸出電勢有所回落,直至冷端補償穩定后才趨于穩定。本文通過(guò)仿真分析和試驗對某發(fā)動(dòng)機排氣測溫動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行了研究,可為發(fā)動(dòng)機控制系統溫度測量提供一種溫度測量的時(shí)域分析方法,有助于控制算法、超溫保護策略?xún)?yōu)化和迭代。