引言

溫度傳感器在各行各業(yè)有著廣泛應用,特別是在汽車行業(yè),如汽車的發(fā)動機進氣溫度、冷卻液溫度、排氣溫度、變速箱溫度、電池包溫度等都需要溫度傳感器作為監(jiān)控元件來進行閉環(huán)控制。對于溫度傳感器,通常比較關注的是其測溫范圍和測溫精度。然而,在被測介質(zhì)溫度快速變化的環(huán)境下,溫度傳感器的動態(tài)響應特性會顯著影響傳感器的測溫精度,在開發(fā)過程中應予以充分關注。

本文介紹了溫度傳感器動態(tài)特性的概念、影響因素、測試方法及測試臺架的搭建,并以實例來說明溫度傳感器的動態(tài)特性對測溫精度的影響及改進措施。

1溫度傳感器的動態(tài)特性

一般溫度傳感器的性能參數(shù)主要包括允差、絕緣電阻、熱響應時間、自熱參數(shù)等,其中熱響應時間也就是溫度傳感器的動態(tài)特性,它反映了溫度傳感器探測被測介質(zhì)溫度并輸出準確信號的快慢程度。對于采用"接觸式"測量的溫度傳感器,其探頭部分必須置于被測介質(zhì)中并經(jīng)過一定時間與之達到熱平衡后,才能準確反映出被測介質(zhì)的溫度。因此,溫度傳感器的動態(tài)特性反映了溫度傳感器探頭與周圍被測介質(zhì)熱交換的快慢,同時也反映了溫度檢測延遲時間的長短。文獻指出,在動態(tài)測溫中,熱響應時間會使溫度計的測量結果中溫度波動幅值小于被測物體的實際溫度波動幅值,并且熱響應時間越長,測得的波動幅值越小。

《溫度傳感器動態(tài)響應校準》(JJFl049一1995)規(guī)定了測量流體溫度的接觸式溫度傳感器的動態(tài)響應特性測試方法。溫度傳感器的動態(tài)響應特性是指溫度傳感器的輸出溫度與被測介質(zhì)溫度階躍之間的響應關系。

文獻[3]給出了溫度傳感器對被測介質(zhì)溫度階躍的計算公式:

式中:T0為1=0時被測介質(zhì)的溫度:Tf為被測介質(zhì)的階躍溫度:T為時間常數(shù)。

圖1為溫度傳感器對溫度階躍的動態(tài)特性曲線。

圖1溫度傳感器對溫度階躍的動態(tài)特性曲線

溫度傳感器的動態(tài)特性主要包括熱響應時間(ThermalReSponSeTime)和時間常數(shù)(TimeConStant)兩個參數(shù)。其中,熱響應時間是指當被測介質(zhì)溫度發(fā)生階躍變化(AT)時,溫度傳感器的輸出f(1)變化到該被測階躍溫度的某個規(guī)定百分數(shù)時(如10%、50%、90%等)所需要的時間,記作Tx(T0.1、T0.5、T0.9)。其中,時間常數(shù)是指溫度傳感器輸出變化到階躍溫度量的63.2%時的時間,用T標記。

2溫度傳感器的動態(tài)特性影響因素及測試條件

溫度傳感器的動態(tài)特性與敏感元件、封裝結構、材料及工藝過程密切相關。文獻指出,熱擴散率越大的材料,其導熱性能越好,溫度計的傳熱響應越好,傳熱從快到慢的順序依次為銅、鋁、陶瓷、鎳、鋼。結構直徑越小,越有利于溫度計內(nèi)部的熱平衡,則溫度計的傳熱響應越好。

同樣外形尺寸、輸出特性的溫度傳感器,廠家不同,它們的動態(tài)特性也不相同。除此之外,溫度傳感器的動態(tài)特性還與被測介質(zhì)特性、測試工況有關。也就是說,在對比溫度傳感器熱響應時間時,一定要使用在同樣的介質(zhì)和測試工況下得到的結果。同一個溫度傳感器,在不同的應用環(huán)境下,其熱響應時間會有很大的差異。

溫度傳感器動態(tài)特性的測試可以參考如下要求:

(1)《工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件》(GB/T30121—2013、1EC60751:2008,1DT)中6.5.2規(guī)定:應記錄在流速大于0.2m/m的水流中或流速為(3±0S3)m/m的氣流中的熱響應時間T0S5。若有要求,還可記錄熱響應時間T0S.和/或T0S1[5]。

(2)《溫度傳感器動態(tài)響應校準》(99J10F.—1..5)分別規(guī)定了水流和氣流的測試條件。

在水流環(huán)境下:

1)水流必須被加熱到高于環(huán)境溫度。在40min內(nèi),水流溫度的穩(wěn)定度優(yōu)于溫度階躍量的±1.0%。

2)水流速度在被校溫度傳感器插入方向均勻度優(yōu)于10%,測量位置水流速度為(0S4±0S05)m/m。

4)水流流道寬度不小于被測傳感器直徑的10倍。

在氣流環(huán)境下:

對于高速氣流,要求在校準截面上速度、溫度均勻,脈動小。溫度<1000℃時,溫度脈動優(yōu)于±0.5℃,偏差優(yōu)于±10℃。試驗氣流流速偏差控制在±1.7m/m。校準段的橫截面積不小于被測傳感器直徑面積的10倍。

3某型號溫度傳感器動態(tài)特性測試臺架實現(xiàn)

在研發(fā)汽車排氣系統(tǒng)用溫度傳感器的過程中,客戶提出熱響應時間的試驗條件如下:

介質(zhì):空氣;

氣體流速:11m/m;

溫度階躍:400℃;

時間常數(shù)要求:<13m。

為了保證研發(fā)及批量生產(chǎn)階段對于溫度傳感器性能及質(zhì)量的要求,需要根據(jù)客戶要求,參考行業(yè)標準,搭建專用測試臺,建立溫度傳感器的動態(tài)特性測試能力。圖2為溫度傳感器動態(tài)特性測試系統(tǒng)原理圖。

設備由風道溫控系統(tǒng)、快速切換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三個主要部分組成。

(1)風道溫控系統(tǒng):根據(jù)要求,設備需要模擬出一組能控制溫度和流速的風道,風量由風機結合變頻器控制。風道內(nèi)部的溫度由加熱控制器根據(jù)出口的溫度,改變加熱器功率,形成閉環(huán)控制。常溫溫度不進行控制,只有吹風冷卻功能,溫度允許在20~30℃任意浮動。

(2)快速切換系統(tǒng):快速切換系統(tǒng)包含三個熱風管道,中間的一個管道配有夾具,可安裝測試樣品。測試時,產(chǎn)品先在常溫風道中進行吹風冷卻。待傳感器輸出溫度穩(wěn)定后,切換系統(tǒng)快速切換位置,使風道內(nèi)熱風流過產(chǎn)品,測試溫度產(chǎn)生階躍變化?？焖偾袚Q系統(tǒng)連接的管道設計一小段可伸縮的軟管,方便切換時密封,防止漏氣影響溫度。

(3)控制系統(tǒng):由上位機和PLC組成,計算機結合采集板卡和調(diào)理電路,可分別與PLC通信,并采集溫度流量信號和被測傳感器溫度變化信號,繪制出曲線,計算出響應時間。PLC進行過程控制,穩(wěn)定所需的溫度和風速,所有電磁閥、變頻器、加熱器控制器均由其控制。

溫度傳感器動態(tài)特性測試臺實物如圖3所示。

圖3溫度傳感器動態(tài)特性測試臺實物

4溫度傳感器動態(tài)特性測試及改進實例

通常溫度傳感器的輸出信號會作為輸入信號傳遞給控制模塊,以監(jiān)測被測介質(zhì)溫度,并按照預先設定的控制邏輯做出進一步的反饋。例如,在汽車發(fā)動機后處理系統(tǒng)中,需要用溫度傳感器實時監(jiān)測SCR系統(tǒng)的排氣溫度。當排氣溫度達到預設閾值時,系統(tǒng)會啟動尿素噴射以中和尾氣中的氮氧化物。然而,由于熱響應時間的存在,當介質(zhì)溫度快速變化時,溫度傳感器輸入給系統(tǒng)的信號會滯后于被測介質(zhì)實際溫度,因此系統(tǒng)中所設定的排氣溫度閾值會低于目標值,從而保證系統(tǒng)正常工作。

在開發(fā)排氣溫度傳感器過程中,客戶會將我司生產(chǎn)的被測件(以下簡稱"被測件")與標準件在發(fā)動機后處理系統(tǒng)臺架上進行對比測試。測試包括靜態(tài)對比測試(即在排氣溫度緩慢變化情況下,對比被測件與標準件的輸出信號差異)和動態(tài)對比測試(即在排氣溫度快速變化情況下,對比被測件與標準件的輸出信號差異)。圖4為臺架的靜態(tài)對比測試結果,圖5為臺架的動態(tài)對比測試結果,圖6為臺架動態(tài)特性對比測試的溫度差異值。

從對比測試結果中可以看出,在靜態(tài)對比測試中,隨著排氣溫度的緩慢變化,被測件輸出信號與標準件輸出信號之間能夠保持一致,說明被測傳感器靜態(tài)下的精度能夠滿足要求:但是在動態(tài)測試中,隨著排氣溫度的快速變化,被測件輸出信號與標準件輸出信號之間存在差異,最大輸出溫度差異會達到10℃左右,無法滿足使用要求。

隨后,在我司開發(fā)的溫度傳感器動態(tài)特性測試臺上,將被測件及標準件的熱響應時間進行了對比測試。測試介質(zhì)為空氣,測試參數(shù)均設置為氣體流速11m/S,溫度階躍300℃。

經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn),被測件與標準件之間的熱響應時間參數(shù)存在明顯差異。如圖7和圖8所示,標準件的時間常數(shù)為9.36S,我司的被測件為12.35S。因此需要改進被測件的熱響應時間性能,以滿足使用要求。

圖7標準件熱響應時間測試結果

圖8被測件熱響應時間測試結果

經(jīng)分析論證,從以下幾個方面對溫度傳感器進行了改進()1)優(yōu)化探頭部分結構設計,減小熱傳導路徑:

(2)改進導熱膠填充工藝,提高填充密實度:

(3)采用高導熱系數(shù)材料。

如圖9所示,改進后的溫度傳感器熱響應時間測試結果為8.66S,優(yōu)于標準件。改進后的溫度傳感器也順

利通過了客戶后處理臺架對比測試。

圖9改進后被測件熱響應時間測試結果

5結語

采用接觸式測溫的溫度傳感器,當被測介質(zhì)溫度快速變化時,溫度傳感器的動態(tài)特性(即溫度傳感器的熱響應時間)會顯著影響傳感器的測溫精度。溫度傳感器的動態(tài)特性既與敏感元件、封裝結構、材料及工藝過程有關,也與測試介質(zhì)及測試參數(shù)條件密切相關。在產(chǎn)品開發(fā)中,應當建立符合測量環(huán)境要求的動態(tài)特性測試能力,以滿足設計要求。