液氧主容器溫度測量誤差分析與改進(jìn)方法

雷 震，李 怡，付琳琳

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

液氧/煤油發(fā)動機(jī)試車中，為了提高液氧流量測量精度，在液氧主容器中設(shè)計、安裝了高精度分節(jié)式電容液位計以及分層溫度測量裝置，一方面，可以通過液位計對液氧體積流量進(jìn)行高精度測量；另一方面，可以對安裝于液氧供應(yīng)管路的渦輪流量計進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，消除實驗室校驗環(huán)境與試驗使用環(huán)境的安裝管路、校驗介質(zhì)等因素的影響，達(dá)到修正液氧渦輪流量計水校驗系數(shù)，獲得真實液氧流量數(shù)據(jù)的目的。在分層溫度測量裝置重復(fù)使用過程中發(fā)現(xiàn)，不同批次試車中，容器中的液氧溫度與當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件下的液氧真實溫度存在一定差異，影響了液氧密度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲得。因此，對液氧容器中的分層溫度測量影響因素進(jìn)行分析，并予以解決。

1 分層溫度測量系統(tǒng)的測量原理

1.1 分層溫度測量傳感器的選擇

液氧主容器容積50 m3，上下封頭距離近9 m，為了滿足不同層面溫度測量要求，要在上下封頭之間均布5只傳感器。作為一種低溫推進(jìn)劑，液氧的沸點為-183.5℃，選擇適合的溫度傳感器，準(zhǔn)確測量其溫度，對于準(zhǔn)確提供密度、流量數(shù)據(jù)具有非常重要的意義。

溫度傳感器類型多樣，常用的傳感器包括熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等，不同類型的溫度傳感器，其測溫范圍、測量精度也不相同。熱電偶分為K型（鎳鉻-鎳硅）、E型（鎳鉻-康銅）以及T型（銅-康銅）等多種型號。其中，K型熱電偶常用于高溫測量，E型熱電偶常用于中溫測量，T型熱電偶用于低溫測量。鉑電阻是常用的熱電阻之一，標(biāo)稱測溫范圍為-269～690℃，測量精度優(yōu)于熱電偶，需以恒流源供電，易產(chǎn)生自熱效應(yīng)，一定程度上影響溫度測量精度。熱敏電阻是一種半導(dǎo)體材料，常用NTC(負(fù)溫度系數(shù))型熱敏電阻進(jìn)行溫度測量，其測量精度優(yōu)于熱電偶和鉑電阻，但其溫度測量區(qū)間只有20 K左右。受傳感器測量范圍、測量精度、外引線形式、容器密封性能等條件的限制，選擇了銅-康銅（T型）熱電偶傳感器進(jìn)行液氧容器溫度測量。它具有測量溫區(qū)寬、傳感器外引線簡單、造價低的特點，可全程觀測液氧容器內(nèi)溫度由常溫降至低溫的過程。

1.2 分層溫度測量系統(tǒng)組成

液氧主容器分層溫度測量系統(tǒng)由安裝于容器中的銅-康銅熱電偶傳感器、補(bǔ)償導(dǎo)線、前端接線箱、后端轉(zhuǎn)接柜、采集設(shè)備、接插件以及傳輸電纜網(wǎng)組成。

銅-康銅熱電偶傳感器與補(bǔ)償導(dǎo)線采用接插件連接。補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)入接線箱，通過接插件與傳輸電纜連接。

1.3 熱電偶溫度測量原理

熱電偶傳感器利用賽貝克效應(yīng)（熱電效應(yīng)）制成，即將兩根不同成分的金屬絲或合金絲A與B焊接組成一個閉合回路，稱之為熱電偶，如圖1所示。若兩個接點處于不同的溫度T和T0時，則會在回路中產(chǎn)生電流。相應(yīng)于兩個接點處產(chǎn)生的電動勢，稱為溫差電動勢或簡稱為熱電動勢。其中，T為測量端或工作端，T0為參考端或冷端。

圖1 熱電偶測溫原理圖Fig.1 Principle diagram of thermocouple temperature measurement

1.4 校驗方法

為了消除系統(tǒng)誤差，同時為了對相應(yīng)測量通道定標(biāo)，以便獲得測量端溫度，需先對測量通道進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得校驗系數(shù)。熱電偶采用端點法進(jìn)行校驗，即選取測量溫度范圍的兩個端點施加電標(biāo)準(zhǔn)值，校驗斜率計算方法見公式（1）。

式中：b為校驗斜率，無量綱；Ub為根據(jù)溫度測量范圍施加的高檔電標(biāo)準(zhǔn)值，mV；U0b為根據(jù)溫度測量范圍施加的低檔電標(biāo)準(zhǔn)值，mV；Ucb為采集系統(tǒng)采集的高檔電標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)電勢值，mV；Uc0b為采集系統(tǒng)采集的低檔電標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)電勢值，mV。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

由熱電偶的測量原理可知一只確定的熱電偶，其熱電動勢的大小與參考端、測量端的溫度有關(guān)；當(dāng)參考端的溫度固定后，熱電勢的大小只與測量端的溫度變化有關(guān)。

熱電偶測溫數(shù)據(jù)處理方法見公式（2）

式中：Ucl為試車時熱電偶測量端對應(yīng)電勢值，mV；Ucj為試車時采集電勢值，mV；U0為處于輸入端短路狀態(tài)時，測量通道采集電勢值，mV；Uld為參考端對應(yīng)電勢值，mV。

獲得銅-康銅熱電偶測量端對應(yīng)電勢值后，反查T型分度表，即可獲得銅-康銅熱電偶測量溫度值。

1.6 參考端溫度測量

熱電偶是相對測量，以參考端為基準(zhǔn)，只有參考端的溫度恒定不變，測量結(jié)果才是準(zhǔn)確的。以往，一般采用冰水混合物制作參考端，處理方法得當(dāng)，可以使參考端的溫度保持為0℃，且溫度誤差微小到忽略不計的程度，可忽略其對溫度測量的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，除了一些溫度精度非常嚴(yán)格的實驗室外，多采用實時修正的方法對參考端溫度進(jìn)行修正，我們采用了Pt100鉑電阻進(jìn)行參考端溫度測量，并實時進(jìn)行溫度修正。數(shù)次參考端溫度對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 參考端溫度數(shù)據(jù)對比表Tab.1 Contrast of reference junction's temperature data

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在相同的環(huán)境條件下，鉑電阻與水銀溫度計的溫度測量誤差保持在±0.1℃內(nèi)，可以代替水銀溫度計進(jìn)行參考端溫度測量。

2 分層溫度測量裝置工作性能

分層溫度測量裝置投入使用后，多次用于液氧容器內(nèi)的溫度測量。多次試車過程中，液氧容器中不同層面溫度測點數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 多次試車分層溫度測量裝置溫度數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Temperature data curves of layered temperature measuring device in several tests

圖中：A，B，C，D，E，F(xiàn)為6次試車代號。Tox1～Tox4為液氧主容器中的測點，其中Tox1位于最下方下封頭處，Tox4為上方測點。

從幾次溫度數(shù)據(jù)曲線可以看出，同一次試驗過程中，容器中不同層面的溫度略有差異，溫度在-182.5～-183.1℃之間。考慮到測量誤差，實測溫度較真實地反映了容器加注過程中的溫度變化。但是，在同一地點，同樣的介質(zhì)，氣壓相差不大的情況下，采用同樣的設(shè)備、同樣的測量方法，液氧溫度測量值應(yīng)無大的差異，不同批次試車，溫度極差達(dá)到了0.8℃。

發(fā)動機(jī)試驗過程中，為了提供液氧流量，采用測量液氧溫度，通過經(jīng)驗公式換算密度的方法。從液氧密度計算公式可以看出，在液氧溫區(qū)，溫度變化0.5℃，密度變化0.22%，導(dǎo)致質(zhì)量流量變化1.1 kg/s左右，這樣的流量差異對于發(fā)動機(jī)比沖、混合比數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確計算會產(chǎn)生很大影響。

因此，我們認(rèn)為，由于組成環(huán)節(jié)中某些因素的影響，容器中液氧溫度值的重復(fù)性、測量精度難以滿足液氧煤油發(fā)動機(jī)試車，提高液氧流量測量精度的要求。需要通過分析、判斷，查找影響環(huán)節(jié)，并進(jìn)行改進(jìn)。

3 測量誤差分析

由分層測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成可以看出，影響測量數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)包括銅-康銅熱電偶傳感器、補(bǔ)償導(dǎo)線、傳輸電纜、測量通道、傳感器與補(bǔ)償導(dǎo)線、補(bǔ)償導(dǎo)線與傳輸電纜之間的接插件、用于參考端溫度測量的鉑電阻傳感器、系統(tǒng)校驗方法以及數(shù)據(jù)處理方法等。下文依次進(jìn)行分析，查找影響源，并予以解決。

3.1 銅-康銅熱電偶傳感器

由于液氧容器頂部法蘭盤安裝位置的限制，考慮到密封形式、耐壓能力等條件的影響，選用了銅-康銅熱電偶傳感器。該傳感器常用測溫區(qū)間-200～50℃，滿足液氧加注過程中溫度由常溫至低溫的測量需求。所用傳感器精度為A級，測量精度±1.5℃。測溫傳感器類型選定，在相同的環(huán)境條件下，其測量精度一定，不會對液氧溫度測量造成額外的影響，故未考慮傳感器對溫度測量的影響。

3.2 補(bǔ)償導(dǎo)線

使用熱電偶傳感器進(jìn)行溫度測量，在測量端與參考端距離很近的情況下，可直接將傳感器引至參考端與傳輸電纜連接，而在試車臺液氧容器間，溫度測點距傳輸電纜距離很遠(yuǎn)，考慮到熱偶絲價格昂貴，為了節(jié)約成本，根據(jù)熱電偶測溫中的連接導(dǎo)體定律，使用了延長型補(bǔ)償導(dǎo)線，其合金絲的名義化學(xué)成分及熱電動勢標(biāo)稱值與配用的T型熱電偶相同，可將參考端延伸至傳輸電纜處[3-4,7]。容器中溫度測量選用了TX-HS延長型耐熱精密補(bǔ)償導(dǎo)線，類型、精度與T型熱電偶傳感器匹配，不會對溫度測量產(chǎn)生影響，還節(jié)約了測量成本[9]，不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線的影響。

3.3 校驗方法

發(fā)動機(jī)試驗過程中，測量參數(shù)類型多樣，針對不同類型參數(shù)，常用的校驗方式有端點法、m遍n檔法、多檔法等[6]。端點法一般是選取測量范圍的最大值、最小值作為加載值，獲得校驗系數(shù)；m遍n檔法一般選取三遍六檔或一遍十八檔，若每一遍加載檔位相同，則為三遍六檔，否則為一遍十八檔，采用最小二乘法擬合線性系數(shù)；多檔法在測量范圍內(nèi)等間距選取校驗點，一般為十一檔。根據(jù)不同的測量參數(shù)，選用合適的校驗方法，不但可以提高工作效率，還可以保證參數(shù)測量精度。校驗方法不同，數(shù)據(jù)處理方法也有差異。上述前兩種校驗方法使用了同一個校驗斜率，而多檔校驗對應(yīng)的則是分段插值，即在十個區(qū)段內(nèi)，每一段都采用端點法擬合出其線性系數(shù)，再按照端點法的方法計算數(shù)據(jù)。

銅-康銅熱電偶按照按端點法對測量通道進(jìn)行校驗。

鉑電阻作為參考端，對精度有較高要求。因此，需要判斷不同校驗方法對溫度測量的影響。采用上述三種校驗方法對鉑電阻通道進(jìn)行校驗，并采用不同方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對比數(shù)據(jù)見表2。從數(shù)據(jù)來看，三種方法無明顯差異，可以采用端點法對鉑電阻進(jìn)行校驗。

表2 對比數(shù)據(jù)表Tab.2 Comparative data

3.4 測量通道

在采集系統(tǒng)輸入端，使用標(biāo)準(zhǔn)電壓源和標(biāo)準(zhǔn)電阻箱對銅-康銅熱電偶測量通道和鉑電阻測量通道施加標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行長程采集測試，采集值波動均小于5 mV，符合采集系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。由于系統(tǒng)采集值的絕對值均大于5 000 mV，波動量小于0.1%，忽略采集值波動對溫度測量的影響。

3.5 傳感器與補(bǔ)償導(dǎo)線間的接插件

根據(jù)熱電偶測量中的中間導(dǎo)體定律，即在熱電偶兩個極性之間都加入同一種金屬材料，只要其兩端處在相同的溫度場，對回路的凈電勢沒有影響，不會影響熱電偶的溫度測量結(jié)果。根據(jù)此定律，熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線之間選用接插件進(jìn)行連接，接插件的各接觸點由同一種材料制成，理論上不會影響熱電偶的輸出，但是在使用過程，由于所用接插件體積較大，加上固定位置、捆扎方法的影響，可能導(dǎo)致兩個接觸點之間的溫度難以保持一致，接插件受熱不均勻，形成附加電勢，直接對銅-康銅熱電偶的測量值產(chǎn)生影響。為了提高液氧溫度測量精度，應(yīng)盡量降低接插件對容器溫度測量的影響，保證熱電偶接線端的兩個接點溫度恒定，同時保持正、負(fù)偶絲的兩個接點的溫度相等[10]，處于相同的溫度環(huán)境。

3.6 參考端溫度變化的影響

以往，采用冰水混合物制作冰點（0℃）作為參考端[8]，使用水銀溫度計測量其溫度，讀取一個溫度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，參考端修正值是一個定值，而不考慮測量過程中可能存在的溫升現(xiàn)象，人為消除了參考端測量誤差帶來的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前，使用鉑電阻進(jìn)行參考端溫度測量，其測量溫度會隨著周圍環(huán)境溫度的變化而變化。由于處理數(shù)據(jù)時采用了實時修正的方法，這樣就帶來了參考端溫度測量誤差，影響了液氧溫度數(shù)據(jù)的真實性。

從系統(tǒng)組成知道，液氧主容器分層溫度測量的參考端位于接線箱內(nèi)，參考端溫度即為接插件處的溫度，用于參考端溫度測量的鉑電阻傳感器懸掛于此箱體內(nèi)。由于接線箱不是完全密閉，空氣流動可能造成參考端處溫度變化，進(jìn)而影響測量數(shù)據(jù)。

液氧主容器加注結(jié)束后，待液面穩(wěn)定，溫度為-183℃左右，此時，銅-康銅熱電偶輸出電勢值為-5.315 mV。對銅-康銅熱電偶測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，b和U0均為一定值，液氧溫度取決于Ucj和Uld。采集系統(tǒng)采集值波動小于10 mV。不考慮U0和Uld的影響，此波動量對應(yīng)銅-康銅測量端電壓值為0.005 mV，查找銅-康銅分度表，溫度波動小于0.01℃，可忽略。由此可以說明，在Ucj基本保持不變的情況下，液氧溫度主要取決于 Uld。

使用鉑電阻傳感器測量參考端溫度，處理數(shù)據(jù)時，需根據(jù)鉑電阻測出的溫度值，反查銅-康銅熱電偶傳感器在此溫度時的電勢值，然后獲得銅-康銅熱電偶測得的溫度。分析當(dāng)參考端溫度變化0.1℃時，在傳感器被液氧浸泡的情況下，測量端的溫度變化。

從銅-康銅熱電偶的分度表可看出，其輸出電勢值較小。試車臺環(huán)境溫度在-10～30℃之間，其輸出值為-0.038 3～1.196 mV，具體見表3。

表3 銅-康銅熱電偶對應(yīng)分度表Tab.3 Environment temperature corresponding to potential values of copper-constantan thermocouple

假設(shè)，容器內(nèi)已加注液氧，4只銅-康銅傳感器因浸入液氧，其采集值見表4。參考端溫度為20℃，其對應(yīng)電勢值為0.79 mV，隨著周圍環(huán)境溫度升高，熱電勢值隨著變化，20～30℃采用線性插值，20.1℃對應(yīng)電勢值約為0.830 6 mV，變化0.040 6 mV。

液氧主容器中加注結(jié)束后，采集系統(tǒng)測量值約為-5 330 mV左右，以容器中現(xiàn)測四只銅-康銅熱電偶為例，在采集值正常波動的情況下，計算其溫度值，數(shù)據(jù)見表4。

表4 參考端溫度變化的影響Tab.4 Influence of reference junction's temperature change

從表4數(shù)據(jù)可以看出，20℃左右條件下，參考端溫度變化0.1℃，液氧溫度變化0.3℃左右。通過類似的計算發(fā)現(xiàn)，周圍環(huán)境溫度越高，參考端變化對液氧溫度的影響越大。有必要對參考端的溫度測量方式進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到參考端溫度基本恒定的目的，消除參考端溫度變化對測量端的影響。

通過上述分析，傳感器與補(bǔ)償導(dǎo)線之間的接插件以及參考端的溫度變化這兩個因素是影響液氧容器分層溫度準(zhǔn)確測量的主要原因，要提高溫度測量精度，必須對這兩個影響因素進(jìn)行改進(jìn)。

4 方法及效果

4.1 消除接插件受熱不均帶來的誤差

由于接插件的大小和固定位置的影響，有可能導(dǎo)致熱電偶兩根偶絲之間引進(jìn)附加電勢，引起溫度變化。為了消除受熱不均勻?qū)Φ蜏責(zé)犭娕紲囟葴y量帶來的影響，更換接插件，將連接方式變更為對焊，可以確保熱電偶正、負(fù)端處于相同的溫度環(huán)境。更換接插件前后，容器內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 改進(jìn)前、后溫度數(shù)據(jù)對比曲線Fig.3 Curves of temperature data before and after improvement

從圖3曲線數(shù)據(jù)可以看出，對傳感器與補(bǔ)償導(dǎo)線的連接方式進(jìn)行改進(jìn)，消除了接插件受熱不均對低溫測量帶來的影響，液氧溫度降低0.4～0.5℃，測量值更加接近實際值，保證了低溫容器中液氧溫度測量的準(zhǔn)確性。

4.2 消除參考端溫度變化帶來的影響

從熱電偶測溫原理知道，熱電偶測量為相對測量，只有在參考端溫度恒定不變的情況下[2-3]，熱電偶測量溫度最真實。未對參考端進(jìn)行處理前，進(jìn)行三小時測試，數(shù)據(jù)曲線見圖4。從數(shù)據(jù)中可以看出，隨著時間的進(jìn)行，環(huán)境溫度的變化，參考端溫度也隨之變化，溫度上升0.5℃，容器中的溫度也隨著參考端的溫度升高而升高，極差2.4℃，嚴(yán)重影響溫度測量精度。Tck4為容器中溫度測點的參考端。

圖4 測試溫度變化曲線(改進(jìn)前)Fig.4 Temperature curves before improvement

對參考端測量傳感器進(jìn)行處理，將補(bǔ)償導(dǎo)線與傳輸電纜的接點（參考端）由接線箱引至一小型接線箱內(nèi)，接線箱進(jìn)行恒溫處理，制成小型恒溫箱，避免環(huán)境溫度變化對參考端溫度帶來的影響，使參考端溫度恒定為一定值。對參考端進(jìn)行恒溫處理后的溫度數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 測試溫度變化曲線(改進(jìn)后)Fig.5 Temperature curves after improvement

4.3 改進(jìn)后的效果

4.3.1 三小時測試數(shù)據(jù)

對參考端進(jìn)行處理后，進(jìn)行了三小時的長程采集。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行原始值及物理量處理，以判斷改進(jìn)方法的可行性。從原始值來看，參考端波動量極差為5.49 mV，溫度波動0.1℃。在參考端溫度基本保持恒定的情況下，容器中的溫度上升趨勢真實地反映了容器內(nèi)的溫度變化。證明對接插件以及參考端進(jìn)行處理的方法是可行的。

4.3.2 試車數(shù)據(jù)

試車過程中，分層溫度測量裝置多次進(jìn)行溫度測量。某兩次試車的液氧容器溫度數(shù)據(jù)曲線見圖6。

從圖6數(shù)據(jù)曲線看出，對參考端進(jìn)行處理后，在試車過程中，液氧容器中浸泡于液氧中的傳感器溫度保持恒定，極差0.1℃，且在幾次試車中，測量溫度一致性較好。

圖6 試車分層溫度數(shù)據(jù)Fig.6 Layered temperature data in tests

5 結(jié)束語

在液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗中，低溫溫度測量是一個難點，提高低溫溫度測量精度，對于提高液氧密度、液氧流量數(shù)據(jù)測量精度非常關(guān)鍵。在試驗過程中，對影響低溫測量的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、改進(jìn)，對熱電偶傳感器參考端采用恒溫處理的方法，提高了發(fā)動機(jī)相關(guān)性能參數(shù)的測量精度，對于獲得真實的發(fā)動機(jī)性能具有重要意義。

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