T型柔性薄膜熱電偶響應速度與應用

摘要：比較分析T型柔性薄膜熱電偶與傳統熱電偶絲在響應速度動態性能方面的差異，對恒溫金屬浴溫度偏差的校準方法。結果表明，T型柔性薄膜熱電偶采用二維結構，相比傳統一維結構的熱電偶絲具有更高的穩定性和更快的響應速度，能夠更好地對瞬變溫度進行測量。在恒溫金屬浴溫度校準測試中，T型柔性薄膜熱電偶能更好地貼合于測試孔內，適應柔性曲面的測溫需求，具有高的測量精度。
0引言
　　隨著設備便攜化、小型化的需求日益凸顯，對柔性小空間的溫度檢測校準需求也日益增強。在醫療領域，恒溫金屬浴取代了傳統水浴加熱方式，用于酶制劑反應、血清滅活試驗、膽固醇檢測等多個領域，具有廣泛的應用價值甲。在環境監測領域，COD測定儀對化學需氧量進行定量檢測，具有快速、正確、可靠的特點甲。對于諸如恒溫金屬浴、COD測定儀等設備的溫度校準，需要將測溫傳感器緊密貼合于被測設備孔內，采用傳統熱電偶絲無法保證與之完全貼合，容易引起測量誤差。現有的表面測溫熱電偶，僅針對平面加熱源，對于異形曲面也無法完全貼合，易引起測量誤差。此外,熱電偶測溫的基本原理是將兩種不同材質的導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，兩種不同材料的熱連接點為測溫點，傳統熱電偶絲通常采用纏繞或者焊接的方式將兩種不同材料連接在一起形成熱連接點，在長期使用過程中，容易造成焊點脫落、導電不良，從而形成開路,導致接觸不良，影響測溫精度，甚至無法進行測溫。
0引言
　　隨著設備便攜化、小型化的需求日益凸顯，對柔性小空間的溫度檢測校準需求也日益增強。在醫療領域，恒溫金屬浴取代了傳統水浴加熱方式，用于酶制劑反應、血清滅活試驗、膽固醇檢測等多個領域，具有廣泛的應用價值甲。在環境監測領域，COD測定儀對化學需氧量進行定量檢測，具有快速、準確、可靠的特點甲。對于諸如恒溫金屬浴、COD測定儀等設備的溫度校準，需要將測溫傳感器緊密貼合于被測設備孔內，采用傳統熱電偶絲無法保證與之完全貼合，容易引起測量誤差。現有的表面測溫熱電偶，僅針對平面加熱源設計，對于異形曲面也無法完全貼合，易引起測量誤差。此外,熱電偶測溫的基本原理是將兩種不同材質的導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，兩種不同材料的熱連接點為測溫點，傳統熱電偶絲通常采用纏繞或者焊接的方式將兩種不同材料連接在一起形成熱連接點，在長期使用過程中，容易造成焊點脫落、導電不良，從而形成開路,導致接觸不良，影響測溫精度，甚至無法進行測溫。
　　前期采用真空卷繞(卷對卷)磁控等離子技術，制備T型柔性薄膜熱電偶，其具有柔性、超薄、穩定性高、精度好、響應速度快、低成本等特點。采用共濺射技術，將銅、鎳兩種不同金屬材料的陰極靶同時濺射制備銅鎳合金(康銅)柔性薄膜電極，其與銅柔性薄膜電極的熱連結區域采用雙層濺射模式，避免了傳統電焊連接存在的易氧化問題，確保了使用過程中穩定可靠，如圖1所示。經校準，制得的柔性薄膜熱電偶溫度測量范圍為-50.0~150.0℃，溫度最大偏差為±0.3℃，厚度為0.05mm，，長度為130mm。與傳統熱電偶相比，T型柔性薄膜熱電偶熱連接點厚度為微納米量級,具有熱容量小、響應速度快、穩定可靠的特點，能夠適應柔性、小間隙區域、瞬變溫度的測溫需求。
 
　　圖2為T型柔性薄膜熱電偶實物圖，左側水泥灰色部分為銅鎳合金(康銅)膜，右側香檳金色部分為銅膜,中間重疊部分為測溫區域。根據使用需求,可以將柔性薄膜熱電偶按照被測對象的實際尺寸進行裁剪，左右兩側預先鉆孔，用于連接補償導線連接片。
 
　　對比T型柔性薄膜熱電偶與傳統熱電偶的響應速度，T型柔性薄膜熱電偶的瞬變溫度測量能力，并進一步采用T型柔性薄膜熱電偶對恒溫金屬浴進行溫度校準及結果分析。
1響應速度測試
　　相比傳統的熱電偶，T型柔性薄膜熱電偶的熱接點厚度為微納米級，具有典型的二維結構特性，貼合更緊密”。迄今為止，對薄膜熱電偶的動態校準尚沒有統一的方法、規范，因此，采用柔性薄膜熱電偶與傳統熱電偶進行溫度響應速度動態性能測試，判斷兩者響應速度的快慢。常見的溫度響應速度動態性能測試方法有:滴水法、電加熱定標法、可調Q值脈沖激光法和迅速投擲法等。
　　滴水法是將水滴滴落到加熱的熱電偶表面,分析其響應曲線，判斷動態響應速度。由于水滴體積小、比熱容小，很難保證水滴落下與接觸之前的溫度恒定。當熱電偶加熱溫度較高時，水滴直接會被汽化，影響測試結果。電加熱定標法通過瞬時通電，產生熱脈沖，被測熱電偶產生溫度響應。電加熱定標法通電過程需要大電流，容易造成薄膜熱電偶發熱過高而引起內應力增大，從而導致膜層脫落。可調Q值脈沖激光法采用激光脈沖信號作為熱源，提供瞬間溫變,而對激光功率的選擇較為苛刻,激光功率過大，容易造成薄膜層的開裂;功率過小則無法消除基底熱容對薄膜熱電偶動態響應的影響。迅速投擲法借鑒水滴法原理，是-種簡單有效獲得溫度階躍變化的方法。將熱電偶從常溫空氣中迅速投擲到恒溫的溫度校準槽中，在熱電偶進人油浴的過程中,其表面溫度會迅速升高,并最終達到穩定。通過溫度數據記錄儀采集整個過程的溫度變化，并進行分析處理。
　　將T型柔性薄膜熱電偶與傳統熱電偶絲(T型)捆綁并連接溫度數據記錄儀，設置調節記錄間隔為.1s，并同時從常溫空氣中投擲人100℃的溫度校準槽中，5min后停止數據記錄，導出數據進行分析比對。
　　T型柔性薄膜熱電偶與傳統熱電偶絲溫度響應速度如圖3所示，測試結果表明，柔性薄膜熱電偶的響應速度快于傳統熱電偶絲。當柔性薄膜熱電偶快速投入100℃的溫度校準槽，溫升至80℃的過程中，T型柔性薄膜熱電偶所處的溫度場發生急劇改變，其產生的熱電動勢急劇變化，隨著時間的推移，接近溫度校準槽的設定溫度，輸出的熱電動勢增速也逐漸變緩，最終穩定在100℃左右。而傳統熱電偶絲的響應速度略慢于T型柔性薄膜熱電偶，這是由于傳統熱電偶絲熱連接點近似為單個或多個一維結構，熱連接點的貼合程度低于熱電結為二維結構的柔性薄膜熱電偶。因此，柔性薄膜熱電偶更適合瞬變溫度的測量，能夠更好地反應環境溫度的瞬間變化。
 
2應用實例
2.1測試方法
　　用恒溫金屬浴逐漸取代了傳統水浴鍋加熱，用于酶制劑反應、血清滅活試驗、膽固醇檢測等多個領域，因此，對其進行溫度校準尤為必要。恒溫金屬浴參照技術依據JJF1101--2019《環境試驗設備溫度、濕度參數校準規范》進行溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度校準。所用標準器為T型柔性薄膜熱電偶、溫度數據記錄儀。

　　測試開始前，檢查溫度數據記錄儀工作是否正常，通電預熱30min。將T型柔性薄膜熱電偶貼合于被測恒溫金屬浴的測試孔內，當恒溫金屬浴測試孔數量小于等于4x4時，宜在中心測試孔位置安置柔性薄膜熱電偶;當恒溫金屬浴單邊測試孔數量大于4個時，則需要在該側兩端測試孔各增加安置一個柔性薄膜熱電偶;當恒溫金屬浴兩邊測試孔數量均大于4個時，則需要在四端測試孔均增加安置一個柔性薄膜熱電偶。將T型柔性薄膜熱電偶與溫度數據記錄儀通過補償導線連接，并固定。
　　設置數據采樣間隔(每2次采樣的時間間隔),待被測恒溫金屬浴達到設定溫度30min后，開啟數據采樣，記錄各T型柔性薄膜熱電偶溫度數據，數據每2min采集--次，共采集16次。
記錄完成后，關閉數據采樣，將數據導人至本地存儲器或者外接USB存儲器
　　測試完畢后，先關閉數據采集器電源，然后關閉被測設備電源，待被測恒溫金屬浴恢復至室溫后，拆去T型柔性薄膜熱電偶。
2.2測試數據與分析
　　恒溫金屬浴150℃校準測試，被測恒溫金屬浴為3x5孔，依據測試方法，布設3個測溫點，自上而下分別為A、0、B，如圖4所示，待恒溫金屬浴升溫至設定溫度150℃后，穩定30min,開始每2min記錄--次數據，記錄16次(30min),數據如表1所示。
 
2.3測試結果
　　根據JJF1101--2019計算得出該恒溫金屬浴的各測試點平均溫度值、上偏差、下偏差、均勻度、波動度，如表2所示
 
　　測試結果顯示，T型柔性薄膜熱電偶能夠適應恒溫金屬浴的溫度校準，由于T型柔性薄膜熱電偶的響應速度優于傳統熱電偶，其更適合于瞬變溫度的測量，恒溫金屬浴的升溫速率較傳統水浴鍋更快,T型柔性熱電偶薄膜能夠更好地跟蹤恒溫金屬浴的升溫，對其升溫溫度測量更為準確。而對于恒溫金屬浴恒溫過程中的溫度校準，T型柔性熱電偶的高響應速度，能夠更好地捕捉恒溫金屬浴的細微溫度變化，得出的溫度波動度更為正確。同時，T型柔性薄膜熱電偶能夠更好地貼合于恒溫金屬浴測試孔內，測量精度高。
3．結語
　　對比T型柔性薄膜熱電偶與傳統熱電偶的響應速度動態性能，結果表明，T型柔性薄膜熱電偶具有更快的響應速度。相較于傳統熱電偶的熱接點為單個或多個一維結構，T型柔性薄膜熱電偶采用二維結構，具有更高的穩定性和靈敏度，更能適應瞬變溫度的測量。使用T型柔性薄膜熱電偶對恒溫金屬浴溫度校準，該類熱電偶能夠更好地貼合于恒溫金屬浴測試孔中，測量精度更高。