熱電偶冷熱端動態(tài)特性對測溫精度影響

摘要:反映熱電偶傳熱特性的時間常數(shù)是一個影響熱電偶測溫動態(tài)誤差的大小的重要參數(shù),往往會導(dǎo)致熱電偶動態(tài)過程測量精度較低和控制系統(tǒng)的實時性較差等后果。以某型發(fā)動機排氣測溫傳感器為原型,開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城特性的分析方法,有助于發(fā)動機控制系統(tǒng)控制算法、超溫保護(hù)策略優(yōu)化和選代。
1模型建立
　　某發(fā)動機排氣溫度測量中,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(shù)的設(shè)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(nèi)部填充材料為氧化鎂粉。按表1所示設(shè)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(jié)果及分析
　　根據(jù)上述前處理方法設(shè)置傳感器的時間常數(shù)仿真分析,傳感器熱結(jié)點處表面平均溫度隨時間的變化規(guī)律如圖3所示。
 
　　式1為傳感器熱電偶絲熱結(jié)點(即傳感器測溫結(jié)點)平均溫度隨時間變化的擬合公式。其中,T熱為溫度,t為時間。根據(jù)公式可知,傳感器熱電偶絲熱結(jié)點的表面平均溫度升至765.76℃時,所需的時間t為2.3s,該時間即為傳感器的時間常數(shù),當(dāng)t接近6.8s時，傳感器達(dá)到熱平衡，其響應(yīng)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(shù)的設(shè)定
　　傳感器外殼材料為不銹鋼1Crl8Ni9Ti，內(nèi)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(shè)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(jié)果及分析
　　根據(jù)上述前處理方法設(shè)置傳感器的時間常數(shù)仿真分析,傳感器鉑電阻處表面平均溫度隨時間的變化規(guī)律如圖4所示。
 
　　式2為傳感器鉑電阻平均溫度隨時間變化的擬合公式。其中,T冷為溫度,t為時間。根據(jù)公式可知,傳感器測溫表面平均溫度升至102.16℃時,所需的時間t為10.6s,該時間即為傳感器的時間常數(shù),當(dāng)t接近27.9s時,傳感器達(dá)到熱平衡,其響應(yīng)溫度接近于氣流溫度150℃。
 
2.3傳感器動態(tài)綜合精度
　　系統(tǒng)的最終輸出溫度T輸為冷熱端溫度之差，根據(jù)式2和式3得出T輸出如式3所示:
 
3試驗驗證
　　將熱端和冷端同時從室溫放人100℃水槽內(nèi),通過時間常數(shù)測試儀和電勢信號存儲記錄儀分別記錄電阻變化曲線和熱電偶輸出電壓曲線變化.得出的結(jié)果見圖5。
 
4結(jié)論
　　根據(jù)試驗結(jié)果可知,冷熱端響應(yīng)試驗的與仿真分析的趨勢一致。在4.375s之前由于熱端響應(yīng)快于冷端補償?shù)捻憫?yīng).輸出電勢急劇上升,在4.375s時達(dá)到峰值,在4.375s之后由于冷端補償逐漸響應(yīng),輸出電勢有所回落,直至冷端補償穩(wěn)定后才趨于穩(wěn)定。本文通過仿真分析和試驗對某發(fā)動機排氣測溫動態(tài)精度進(jìn)行了研究,可為發(fā)動機控制系統(tǒng)溫度測量提供一種溫度測量的時域分析方法,有助于控制算法、超溫保護(hù)策略優(yōu)化和迭代。