钱 兰 陈 宁(西安公路交通大学)
引 言
在内燃机缸内瞬态传热研究中,表面温度法的关键技术之一是壁表面瞬态温度测试的实现。换言之,薄膜热电偶必须能反映出内燃机缸内壁面在内燃机高速运转时的周期温度波动,或者更为有代表性的反映出缸内火焰传播到测点处时壁面的温度跃升。通常我们用薄膜热电偶的时间常数τw来描述薄膜热电偶的动态响应特性,关于影响τw的诸多因素已有文献分析,本文专述如何确定或者估量τw值,在对已往方法分析的基础上,提出作者采用的测试方法。
1 缸壁测点处的特征值τg和τw
设1维传热,热电偶测头表面介质温度为Tg,对流换热系数为αg,冷却端介质温度为Tf,对流换热系数为αf,则利用1维集总热容的数学模型,可得到测头表面温度T1(t)对Tg单位跃升时的响应函数为
式中:k与di均为与边界条件有关的实系数;pi为递减的负实数。因此,T1(t)式的右侧实际表现为一系列衰减的指数系列的叠加。实际上,尽管热电偶材料及表面换热系数会有所不同,对T1(t)具有显著影响的只是pi序列的前几个有限项。不失一般性,如果把上述函数简化为1阶系统,即为通常所定义的时间常数τg,其物理意义表现为介质温度Tg产生阶跃变化时,传感器膜面从其平衡温度Tw0变化到新平衡温度Tw∞的63.3%时所需时间,即其表达式为
比较式(1),相当于忽略了p2及以后项时的情形。τg=-1/p1,一般与αg成反比,而与ρcp成正比。
此外,薄膜热电偶动态响应的特征时间常数τw,是指当膜表面温度阶跃变化时,薄膜热电偶及其系统对此阶跃的响应,与式(2)类似的表达式可以如下给出:
式中:Tv0为热电偶初读值;Tv∞为膜表面温度阶跃变化后无限长时间的热电偶读值。
上述分析可以说明τg和τw在物理意义上的区别,如图1所示。缸内燃烧时壁面温度波的测示可以描述成当火焰前锋到达缸壁测点表面时,气体温度的跃升(理想化为阶跃变化)能引起:(1)作为同质(或非同质)表面的膜面的温升;(2)传感器系统对膜面温升的响应。不难理解,设此整个过程的响应时间常数为τ,则应有τ=τg+τw,其中τg为过程本身的参数,而τw则为仪器参数,即τg和τw是温度波测示中的两个相串联的环节。
2 几种常见标定方法的分析
在此意义上,测试热电偶动态特性的基本目的就是为了确认表面温度法在实测中传感器系统对膜面温升的响应τw要小于传感器膜面对介质温升的响应τg一个数量级。因此,只要寻求一种方法,测出τw的大小,再与温度波的τ相比较,当τ>>τw或τ>10τw时,仪表的误差才可能忽略不计。
采用高速子弹从膜表面通过来测试薄膜热电偶的动态响应特性,即假定介质与膜表面的瞬时换热系数为无穷大,可以认为τg→0,但遗憾的是这种变化源相当于脉冲响应而非严格意义上的阶跃响应,从而很难确定出τw。采用激波管方法来标定传感器τw值,但这种情形同内燃机缸内的情形差不多,无论如何总是有限值,因此这种标定方法相当于严格意义下对τg阶跃变化的响应,得到的是τ值而非τw,故无从据以判别薄膜热电偶是否有足够好的动态响应特性。
目前而言,真正严格意义上的τw标定方法尚未见文献发表。
3 薄膜电加热标定方法及其实验
作为在对表面温度法研究分析中的一个内容,作者为克服上述各种弱点,通过一种新型表面薄膜计来实现电加热标定方法。有文献指出:“在异常薄(厚Δx1→0)的金属箔中,瞬时通电所产生的热脉冲,热源一下子发出的热量Q在Δt→0的近乎瞬间内,由于来不及发散传播,必然使热源所在处本身在Δx1范围内升温既然Q不可能无限大,Δx1尽管很小,毕竟尚非0,这个δ0就只能是有限值。”据此原理,设想将薄膜热电偶的感温膜同时作为加热膜,突然接通加热电路,则在薄膜瞬时产生一热源,相当于给膜面一阶跃温升,如果在瞬间接通又断开,则相当于给膜面一温度脉冲变化。研制的薄膜热电偶结构如图2。表面材料为获得适当的电阻,采用90%镍铬合金+10%二氧化锡混合物,电子束分层镀膜方式附着,膜厚约0.4μm,表面膜与基体的绝缘膜采用晶体二氧化硅材料,膜厚0.2μm,加热极柱及极膜为铜,蒸发方式附着,膜厚为5μm。
动态标定系统如图3所示。热电偶置于120℃烘箱中,以使薄膜热电偶热电势处在分度线中段,暂态信号经偶置电路由FY73型交直流放大器进行信号放大,频率为DC-2.5 kHz,放大倍数50,仪器最大压升率8mV/μs,放大信号进入SRB型双综示波器,其最高灵敏度为1mV/div,上升时间<<24 ns。时间常数通过观察示波器信号上升沿宽度计算之,在将示波器扫描速度置于10μs/div挡时,上升沿宽度为5 div,因此,τw≤32μs。其次,将扫描速度置于1 ms/div档,观察阶跃电流加热和脉冲电流加热时响应曲线图形,如图4、图5所示。
4 几点讨论
(1) 作者认为,已有文献所显示的传统的标定方法,因无法分离τg和τw,且无法估量τw的数量级,因此,用作薄膜热电偶的应用依据,其基础显得薄弱和缺少说服力。薄膜表面电加热方法提供了直接测取τw的尝试,理论上有依据,技术上易实现,但本文描述的仍是该法应用的初步结果,有待于进一步的完善。
(2) 薄膜电加热方法对薄膜加工技术要求较高,在作者采用的方法中,感温膜与加热膜为一体,因此对加热电流的稳定性要求高,可以试想用加热膜与感温膜分开的方法以简化薄膜制作工艺的复杂性。
(3) 为保证给出阶跃电流,电路系统要进一步细致化,要完善电路设计。
(4) 为使τw测值准确,阶跃电流的幅值增大是有益的,但要避免加热膜TPP12的热击穿。
