基于小型爆轰场的快响应热电偶动态特性标定系统及方法

技术领域

本发明涉及一种快速响应热电偶的动态特性标定系统及方法，特别是一种基于小型爆轰场的快响应热电偶动态特性标定系统及方法。

背景技术

现如今，在军工和航天等领域，瞬态温度测量对于兵器和航天设备的研制与优化起着越来越关键的作用。例如：研究火箭高温羽焰对各部件的烧蚀机理与防护措施；研究内燃机燃烧室内的高温火焰对膛壁寿命的影响；探索炸药爆炸威力，需对爆炸冲击波波阵面的温度进行测量等。这些场合的温度场均具有瞬态高温、高压、高速气流，并伴有化学反应等诸多特点，为保证测温准确性，选用动态特性优异的温度传感器至关重要。由于温度传感器的动态响应特性不但与自身的热物性有关，还跟现实应用环境紧密联系，所以至今尚未形成统一的温度传感器动态特性标定标准。

目前，常应用于军工和航空等领域气体温度传感器动态特性标定方法有热风洞法、激波管法。但热风洞法的标定装置体积十分庞大，成本高昂，并且采用机械动作来产生阶跃温度，不能提供足够陡峭的阶跃前沿，难以实现应用于这些领域的快速响应热电偶动态特性标定。激波管同样存在体积庞大，成本较高的问题，并且通过激波管法难以产生较高的阶跃温度，使得标定实验困难。因此，发明一种阶跃大、斜率高的温度激励源产生方法，实现相应的低成本、小型化产生装置，对于快速响应热电偶动态特性标定具有重要意义。

发明内容

针对这一问题，本发明公开了一种以自反应性化学物质受热自加速分解瞬间产生大量气体为基础的快速响应热电偶动态特性标定方法及相应的实验系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：以自反应性化学物质受热自加速分解瞬间产生大量气体为基础，通过构造一小型密闭容器使腔内气压急剧上升，撑破膜片，产生亚音速高温冲击气流，作为快速响应热电偶动态特性标定的温度激励源，并辅以被标热电偶信号放大、采集电路实现瞬态变化热电动势记录，通过计算机进行信号处理，计算响应时间常数，实现快速响应热电偶动态特性标定。

与上述方法对应的实验系统包括加热控温系统、燃爆场发生段、膜片、燃爆场实验段、待标定热电偶、热电偶固定支架、压力传感器、试验样品、放大电路、NI USB-6259数据采集卡、计算机，所述的待标定热电偶通过数据电缆依次与放大电路、NI USB-6259数据采集卡和计算机连接，所述的燃爆场发生段与燃爆场实验段用膜片隔开，形成两个环境，所述的加热控温系统对燃爆场发生段进行加热，并通过热传导加热燃爆场发生段中的试验样品，所述的试验样品受热会发生剧烈的化学反应，产生高温高压气体，撑破膜片，形成爆轰气流冲向燃爆场实验段，对安装在热电偶固定支架上的待标定热电偶产生一个具有一定时间宽度的温度冲击信号。待标定热电偶产生变化的热电动势输出，经放大电路进行信号放大后，由NI USB-6259高速数据采集卡记录整个标定过程待标定热电偶输出热电动势响应曲线，并传输至计算机，计算时间常数，完成热电偶动态特性标定。

进一步说，所述的试验样品具有受热剧烈发生反应，瞬间产生大量高温气体的特性，因燃爆场发生段压力急剧上升，撑破膜片，形成爆轰气流冲向燃爆场实验段，对待标定热电偶产生一个具有一定时间宽度的冲击信号。该气流流速可达276m/s，该冲击温度信号的持续时间约为几百毫秒。

进一步说，所述的燃爆场发生段可通过选用不同材料、不同厚度的膜片改变冲向燃爆场实验段的气流流速，模拟不同工况，实现不同气流流速条件下热电偶动态特性标定。

进一步说，所述的气流流速可根据激波管流动理论及燃爆场发生段实测压力值获取。

进一步说，所述的NI USB-6259数据采集卡的最高采样频率可达1.25MHz。

进一步说，在计算热电偶时间常数过程中，先对记录热电动势响应曲线实施对数变换，再运用最小二乘法实施线性拟合，通过求解其斜率获得时间常数。该方法相对于一阶系统时间常数定义求解法具有噪声和干扰免疫力强，可靠性高的特性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用与爆炸、燃烧等实际工况相一致的亚音速气流爆轰场作为激励源进行快速响应热电偶的动态标定，该温度激励源具有阶跃幅度大、边沿斜率陡的特点，实验结果表明，本发明可实现十毫秒级快速响应热电偶的动态特性标定。

2、本发明相对热风洞法、激波管法等温度传感器动态特性标定方法及装置，具有系统小型化，成本低、操作简便等优点。

附图说明

图1是基于小型爆轰场的快响应热电偶动态特性标定系统结构示意图。

图2(a)CO1-K快速响应热电偶的响应曲线图。

图2(b)SA1-K快速响应热电偶的响应曲线图。

图2(c)C060-K快速响应热电偶的响应曲线图。

图3是CO1-K型热电偶在不同流速下的响应曲线。

图中，1、加热控温系统，2、燃爆场发生段，3、膜片，4、燃爆场实验段，5、待标定热电偶，6、热电偶固定支架，7、压力传感器，8、试验样品，9、放大电路，10、NI USB-6259数据采集卡，11、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1所示，一种基于小型爆轰场的快响应热电偶动态特性标定系统，包括加热控温系统1、燃爆场发生段2、膜片3、燃爆场实验段4、待标定热电偶5、热电偶固定支架6、压力传感器7、试验样品8、放大电路9、NI USB-6259数据采集卡10、计算机11，所述的待标定热电偶5通过数据电缆依次与放大电路9、NI USB-6259数据采集卡10和计算机11连接，所述的燃爆场发生段2与燃爆场实验段4用膜片3隔开，形成两个环境，所述的加热控温系统1对燃爆场发生段2进行加热，并通过热传导加热燃爆场发生段2中的试验样品8，所述的试验样品8受热会发生剧烈的化学反应，产生大量高温高压气体，撑破膜片，形成爆轰气流冲向燃爆场实验段4，对安装在热电偶固定支架6上的待标定热电偶5产生一个具有一定时间宽度的冲击信号。所述的压力传感器7将燃爆场发生段2的压力突变信号作为NI USB-6259数据采集卡10的外部触发信号，NI USB-6259数据采集卡10将采集到的数据传输给计算机11。

所述的基于小型爆轰场的快响应热电偶动态特性标定方法，其实验步骤说明如下：

A.采用高精度电子天平称量一定质量的试验样品8安置于燃爆场发生段2，并裁剪合适大小及形状的膜片3封住燃爆场发生段2，连接燃爆场发生段2与燃爆场实验段4。

B.将待标定热电偶5安装在热电偶固定支架6上。

C.将压力传感器7的输出端连接至NI USB-6259数据采集卡10，用作NI USB-6259数据采集卡10的外部触发信号。

D.将待标定热电偶5的输出导线连接至放大电路9，将放大电路9的输出端与NI USB-6259数据采集卡10的输入端连接，将NI USB-6259数据采集卡10接入计算机11。

E.打开加热控温系统1对燃爆场发生段2进行加热，试验样品8受热发生反应产生高温高压气体，撑破膜片3形成爆轰气流冲向燃爆场实验段4，待标定热电偶5受到激励后产生输出电势，使用放大电路9将信号放大1000倍，通过NI USB-6259数据采集卡10采集待标定热电偶5输出的热电势信号。

F.由计算机(11)对NI USB-6259数据采集卡10采集到的热电势信号进行数据处理，计算时间常数，具体说明如下：将快速响应热电偶视为一阶系统，根据响应曲线获取动态特性标定之前初始温度T₀，标定过程中最高温度T_f，T为实时温度，对T₀至T_f之间温度——时间曲线实施对数变换：

再对对数变换后数据进行线性最小二乘拟合，获取其斜率，即为快速响应热电偶时间常数。最终根据所求取时间常数大小评估热电偶5的动态特性。

实验过程中爆轰气流流速可根据激波管流动理论及燃爆场发生段实测压力值获取，具体计算公式如下：

式中，p₄与p₁分别是高压段、低压段的初始压力值，p₄可实测获得，p₁为标准大气压；γ₄与γ₁分别是高压段、低压段气体初始绝热指数；T₄与T₁分别是高压段、低压段的热力学温度，T₄可实测获得，T₁为环境室温；R₄与R₁分别是高压段、低压段气体常数。根据上述参量，可以计算获取激波马赫数M_S。再根据马赫数计算获取激波后续气体流速v。

选用三款不同型号的快速响应热电偶进行动态标定测试，选择0.32mm厚硬纸膜作为膜片2，三款快速响应热电偶的响应曲线如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示。经过计算机处理后的时间常数见表1。

表1 三款商用热电偶时间常数

实验结果表明，本发明公开的标定方法和实验系统可实现十毫秒级快速响应热电偶的动态标定。

通过选用0.32mm厚硬纸膜和0.1mm厚铝膜作为膜片2产生不同气流流速进行热电偶动态特性标定实验。运用空气动力学理论计算公式及压力传感器7实测压力值可得：选用0.32mm厚硬纸膜产生约194m/s气流流速；选用0.1mm厚铝膜产生约276m/s气流流速。选用CO1-K型快速响应热电偶进行标定实验，热电偶响应曲线如图3所示。经过计算机处理后的时间常数见表2。

表2不同流速下的CO1-K热电偶时间常数

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。