浅谈温度传感器的热响应时间（2）

任何一个温度敏感元件都具有一定的体积、质量和比热容,因此与被测介质之间达到热平衡需要一定的时间,这样在测量变化快的温度时,温度传感器的响应滞后于温度变化.导致响应滞后的原因来自两方面:一是温度敏感介质本身的热容量和有限大的热导率;二是温度传感器与被测介质之间的热交换过程.
热量在物体内部的传导过程服从Fourier热传导方程:其中ρ,c和λ分别为物体的密度、比热容和导热系数;ΦV为物体内部的广义体热源,也就是单位体积单位时间所产生的热量;T是物体温度.

物体与外界流体之间的换热过程服从New2ton公式:Φ=h(Tf-Ts),(2)
式中Tf和Ts分别是流体温度和温度传感器表面温度.比例系数h为表面传热系数,表示单位面积和单位温差下所交换的热量.当Φ为正值时是加热过程,Φ为负值时为冷却过程.表面传热系数h的大小与换热过程中的许多因素有关,如流体的导热系数、密度、比热容及流体的运动状态,而且还与物体的表面形状和体积有关.

温度传感器可分为裸装和铠装2种形式.对裸装温度传感器,温度敏感介质直接与被测介质接触,在分析其测量的动态特性时可以假定温度敏感介质的导热系数无限大,即内部温度分布是均匀的,由于温度敏感介质内部没有热源存在,其广义热源只和其与外界的换热过程有关.当温度敏感介质的表面积为A、体积为V时,将界面上交换热量折算成物体的体积热源。

说明由于裸装温度传感器具有一定热容和有限大的表面换热系数,与被测介质达到热平衡需要一定的时间.时间常量反映了温度敏感元件对被测温度变化响应快慢.显然时间常量越小,温度敏感元件越能迅速反映流体温度的变化.时间常量与温度敏感元件的热容量ρVc成正比,与表面传热条件hA成反比.热容量越大,内部温度的变化就越慢;表面传热条件越好,单位时间内传递的热量就越多,内部温度变化得就越快.时间常量可以综合反映这两者的影响.由于不同的流体与温度敏感元件之间有不同的换热系数h,因此对不同的测量对象温度敏感元件具有不同的时间常量.

本文参考南开大学物理研究院刘教授相关书籍，外加了个人部分理解。

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