共極三電偶探針測溫特性分析與研究

沙朋朋， 郭道勇， 石小江， 林興梅

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著航空科技的高速發(fā)展，尤其是火箭和航空發(fā)動機的發(fā)展，溫度的快速、準確測量技術愈加重要[1]。熱電偶是目前各國在航空發(fā)動機進行溫度測量時應用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。它具有結構簡單、制作方便、準確度高、熱慣性小等優(yōu)點，既可以用于靜態(tài)環(huán)境溫度測量，也可以用于動態(tài)環(huán)境溫度測量[2]。

航空發(fā)動機內部氣流溫度場分布測量主要采用固定式干涉溫度探針來測量，探針根據(jù)發(fā)動機試驗需求設計測點。若同一點溫度變化跨越了某類電偶（如T型）的測量范圍，需布設多種熱電偶結構，且布設到空間同一位置難度較大，因此提出共極性熱電偶，解決試驗中寬范圍、高精度，同一點溫度的可靠性測量[3]。共極三電偶概念的提出：共極三電偶是指將兩個有同材料極的不同電偶組合在一起，能夠測量同一點處溫度的組合電偶。共極三電偶原理圖如圖1所示，通過共極后形成3個回路，A-C回路，B-C回路和A-B回路，圖中e(T,TO)表示溫差電勢，e(ABBCAC)(T)表示接觸電勢。

圖1 共極三電偶原理圖

由熱電偶測溫原理[4]可知，熱電偶測溫時存在的延遲與滯后特性會導致熱電偶測溫存在靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差[5]。其中，靜態(tài)誤差是指被測介質溫度保持不變，在熱電偶與被測介質達到動態(tài)熱平衡時，由于測溫系統(tǒng)導熱、輻射等因素的影響，從而造成熱電偶熱端溫度低于實際的被測溫度；動態(tài)誤差是指當被測介質溫度變化時，由于熱電偶存在熱慣性，導致其響應速度慢，不能及時反應出被測介質的實際溫度。本文針對共極三電偶探針開展靜態(tài)特性和動態(tài)特性研究。

1 共極三電偶探針設計

1.1 共極三電偶組合方式

標準化廉金屬熱電偶KP和EP都稱為鎳鉻，名義化學成分均為Ni90Cr10；熱電偶TN和EN都稱為銅鎳，名義化學成分均為Cu55Ni45，以及少量錳、鈷、鐵等[6]。KP與EP、EN與TN名義化學成分無差異，理論上可進行熱電偶互換。以K-E組合為例，K分度和E分度都以鎳鉻為正極，鎳鉻是該類組合的共用極。采用K分度熱電偶正極為共用正極的定義為K+，形成的測量回路分別是：K+_K-、K+_E-和K-_E-，如圖2所示；采用E分度熱電偶正極為共用極的定義為E+，形成的測量回路分別是：E+_K-、E+_E-和K-_E-，如圖3所示。分別以鎳鉻、銅鎳作為共極，形成共極三電偶組合方式有4種，其他組合形式的定義方式與此相同。

圖2 共用KP組合示意圖

圖3 共用EP組合示意圖

為排除熱電偶材料成分差異的影響，進一步研究共極三電偶的熱電特性線性度、重復性和測量精度，分別以K分度的鎳鉻、鎳硅為共用極，形成兩種共極三電偶組合方式。共極三電偶組合詳細信息見表1。

1.2 共極三電偶探針結構設計

Yule等[7]指出確定熱流場中的熱傳導速率對動態(tài)溫度的準確測量有重要意義，為減小導熱誤差對探針測試精度的影響，結合探針應用環(huán)境和電偶熱接點的機械穩(wěn)定性要求，將探針偶絲長度/偶絲直徑（L/D）比設計為9[8]，同時忽略輻射誤差和速度誤差對測試結果的影響，共極三電偶探針測量端設計成裸露的“一”字型結構，與常規(guī)標準探針測量端對比圖如圖4所示。

共極三電偶探針用偶絲型號為K型、E型、T型，偶絲直徑均為0.5 mm，偶絲準確度等級均為Ⅰ級，熱接點為球形焊接，接點直徑約為1.2 mm。探針支桿為φ6 mm×1 mm的不銹鋼管，支桿內部熱電偶通過四孔瓷管和單孔瓷管互相絕緣，支桿內部后端灌封105-A耐高溫無機膠黏劑和DG-4環(huán)氧膠黏劑進行固定密封。共極三電偶探針生產完成后，對探針進行電偶通斷性與絕緣性檢測，結果均滿足設計技術要求[9]。

表1 共極三電偶組合方式表

圖4 探針測量端對比圖

2 共極三電偶探針測試方法

2.1 靜態(tài)特性測試方法

本次共極三電偶探針測試試驗內容主要包括探針熱電特性測試、熱電特性穩(wěn)定性、可重復性的試驗驗證。根據(jù)熱電偶推薦使用溫度范圍，確定各分度偶絲直徑為0.5 mm的長期使用最高溫度[10]，該溫度作為共極三電偶探針測試溫度上限，具體測試溫度點見表2。

表2 共極三電偶探針測試溫度點

共極三電偶探針采用雙極比較法進行測試試驗[11]，要求每個測試溫度點的測量次數(shù)不應少于4次，重復試驗的每步數(shù)據(jù)記錄次數(shù)不少于3次。在共極三電偶探針進行測試試驗之前，將探針各電極與普通銅導線焊接，并確定其無虛焊現(xiàn)象，形成熱電偶的參考端（即冷端）。250 ℃以下采用恒溫油槽測試方式，主要使用二等標準鉑電阻溫度計恒溫油槽、堆棧式測溫儀等設備。250 ℃以上采用熱工儀表自動檢定系統(tǒng)，主要設備包含一等鉑銠10-鉑熱電偶、熱電偶檢定爐、數(shù)字多用表等。恒溫油槽和熱電偶檢定爐在有效工作區(qū)域內溫差均小于±1 ℃。

2.2 動態(tài)特性測試方法

航空發(fā)動機整機及部件常規(guī)測試中，大部分測量截面馬赫數(shù)Ma≤ 0.6，因此將試驗件分別置于Ma為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6工況下進行動態(tài)特性測試。共極三電偶探針采用激光法測量熱響應時間常數(shù)[12-14]，設備簡圖如圖5所示。試驗系統(tǒng)利用高功率可調頻的CO2激光器對熱電偶感溫探頭進行加熱，同時利用亞音速常溫風洞調節(jié)吹風工況，當接點溫度達到指定穩(wěn)定溫升值時立即關閉激光器，形成負的溫度階躍，在此過程中動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，記錄下熱電偶動態(tài)響應特性曲線，之后進行數(shù)據(jù)處理獲得動態(tài)響應特性表征參數(shù)中的熱響應時間常數(shù)[15]。本系統(tǒng)階躍溫度達到1200 ℃時，階躍延遲時間<0.1 ms，近似于理想階躍延遲時間。

3 共極三電偶探針靜態(tài)特性測試結果

3.1 探針各回路熱電特性分析

通過探針測試試驗，獲取了測試溫度下各回路的測量電勢。選取測試探針中K-E型組合試驗件A/B第1輪試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

對探針各回路熱電特性數(shù)據(jù)分析可以得出：共極三電偶探針3條回路中，在某溫度點的熱電勢，最大者是其他兩回路熱電勢之和。以試驗件A為例，溫度為T時，EK+_E-=EK+_K-+EK-_E-；對于共極材料為自身電偶正極的試驗件E，溫度為T時，第3條回路的熱電勢達到萬分位，忽略不計；各個回路的熱電特性均有較好的線性度，重復性比較理想，熱電特性穩(wěn)定。直徑為0.5 mm的T型熱電偶的測溫上限為250 ℃，但歷經3輪重復性標定試驗后，測點完好，說明探針測量端可靠性得到提高。

圖5 試驗系統(tǒng)簡圖

3.2 探針各回路測量精度分析

以試驗件A/B為例，K-E型組合中K+_K-回路和E+_K-回路直接采用K型熱電偶分度表處理數(shù)據(jù)，E+_K-回路和E+_E-回路直接采用E型熱電偶分度表處理數(shù)據(jù)，并分別與S型標準熱電偶進行對比，繪制溫度與測量精度百分比曲線圖，如圖6所示。試驗件C/D/E/F數(shù)據(jù)處理方式相同。

試驗件A/B中K型回路的測試精度比試驗件E/F兩回路測試精度偏低，用EP代替KP，對探針測試精度產生影響。

試驗件A/B/E/F各回路的誤差比較穩(wěn)定，雖然部分溫度點超出Ⅰ級熱電偶0～400 ℃范圍內測溫不確定度為±1.5 ℃的準確度標準，但可以滿足Ⅱ級熱電偶測溫不確定度為±0.7%的準確度標準，可以直接利用現(xiàn)有的分度表將熱電勢轉換為溫度值。

試驗件C/D標準回路的誤差較大，不適合直接利用現(xiàn)有的E型和T型分度表處理數(shù)據(jù)，可利用本次測試數(shù)據(jù)得出熱電勢與溫度的關系多項式，即E+_E-回路和E+_T-回路需采用E型熱電偶多項式處理數(shù)據(jù)，T+_T-回路和T+_E-回路需采用T型熱電偶多項式處理數(shù)據(jù)，屆時探針將提高至Ⅰ級熱電偶的精度標準。

表3 K-E型（試驗件A/B）試驗數(shù)據(jù)

圖6 共極三電偶探針各溫度點下的測試精度

3.3 數(shù)據(jù)處理

以試驗件A/B為例，分別建立K+_K-回路和E+_K-回路的熱電勢與S型標準熱電偶溫度值的多項式關系。因熱電偶在不同溫度下的賽貝克系數(shù)不同，所以K型熱電偶建立5個分溫度段多項式，如圖7所示。同理可知，分別建立E+_K-回路和E+_E-回路的E型熱電偶熱電勢與溫度關系式、K-_E-非標準回路的K-E型熱電偶熱電勢與溫度關系式。

利用試驗件A/B數(shù)據(jù)處理多項式分別對各回路重復性熱電勢進行計算，將K型、E型、K-E型計算溫度與S型標準熱電偶溫度值對比，在50～800 ℃范圍內，試驗件A/B均滿足Ⅰ級熱電偶測溫精度標準。試驗件A/B在50～500 ℃范圍內E型回路測量精度為0.15%，高于K型回路的0.24%，在500～800 ℃范圍內E型回路測量精度為0.4%，低于K型回路的0.32%。共極三電偶比單一分度熱電偶測溫范圍寬，同時兼容了兩種熱電偶在不同溫度段的高精度優(yōu)勢，體現(xiàn)出了共極三電偶測溫范圍寬，精度高的特點。

圖7 試驗件A/B數(shù)據(jù)處理多項式

試驗件C/D中E+_E-回路和E+_T-回路直接采用試驗件A/B中E型多項式進行數(shù)據(jù)處理，得到結果與S型標準熱電偶進行對比，試驗件C/D均滿足Ⅰ級熱電偶測溫精度標準。其中T+_T-回路、T+_E-回路和E+_T+非標準回路采用同樣的數(shù)據(jù)處理方式，分別建立T型、E-T型熱電偶熱電勢與溫度關系式，如圖8所示。在50～550 ℃范圍內，試驗件C/D中T型和E-T型測量精度均滿足Ⅰ級熱電偶的精度標準。

圖8 試驗件C/D數(shù)據(jù)處理多項式

試驗件E/F中標準回路直接采用試驗件A/B中K型多項式進行數(shù)據(jù)處理，得到的計算溫度與S型標準熱電偶溫度值進行對比，測量精度均滿足Ⅰ級熱電偶的精度標準。

4 共極三電偶探針動態(tài)特性測試結果

選取試驗件B/C/F在連續(xù)吹風狀態(tài)下加熱至測試溫度，獲取各校準Ma數(shù)下熱電偶階躍特性響應曲線，在曲線上找出起始溫度T0、時間t0、終止溫度T和階躍溫度的63.2%所對應的時間t，即可求得熱電偶時間常數(shù)τ值，試驗件F在Ma=0.5工況下熱響應特性曲線見圖9，探針時間常數(shù)τ測試結果如表4所示。

圖9 試驗件F熱響應特性曲線

表4 探針時間常數(shù)τ測試結果s

對于同一探針，在相同的初始溫度和階躍溫度情況下，Ma越高，其時間常數(shù)τ越小。在同一試驗工況下，試驗件B/C/F自身兩回路的時間常數(shù)τ隨Ma變化趨勢一致、結果相近。試驗件B中E型與試驗件C中E型對比發(fā)現(xiàn)，試驗件C的時間常數(shù)均小于B，原因是試驗件C的球形熱接點比熱遠小于B，在相同換熱條件下，熱電偶熱容量大則時間常數(shù)τ大。在試驗Ma=0.3工況下，試驗件F 中K2+_K-在相同的初始溫度下溫度階躍300 ℃、600 ℃時，其時間常數(shù)τ分別為0.6 s、0.62 s，在一定溫度范圍內，熱電偶時間常數(shù)τ受溫度的影響較小。共極三電偶探針時間常數(shù)τ測試結果均小于1.5 s，滿足航空發(fā)動機溫度測試指標不大于4.5 s的要求。

5 結束語

通過對共極三電偶探針測試試驗獲得的數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結論：

1）從總體情況看，探針構成的各測量回路熱電特性均表現(xiàn)出良好的線性度，且表現(xiàn)出較好的重復性，具備工程應用前提條件。

2）探針3組測量回路之間存在相互關系，即在某一溫度下，其中一測量回路的熱電勢值（最大熱電勢值）等于其他兩回路熱電勢值之和。該特性可用于回路間對測量有效性的相互判斷。

3）探針各回路的誤差比較穩(wěn)定，利用各回路熱電勢與溫度的多個關系多項式處理后，測量精度均滿足Ⅰ級熱電偶的精度標準；探針在馬赫數(shù)0.1～0.6工況下的時間常數(shù)τ測試結果均小于1.5 s；共極三電偶探針的靜態(tài)測試和動態(tài)測試結果均達到航空發(fā)動機溫度穩(wěn)態(tài)測試指標。

4）共極三電偶比單一分度熱電偶測溫范圍寬，并兼容了兩種熱電偶在不同溫度段的高精度優(yōu)勢，對同一測點可同時輸出3個溫度值，體現(xiàn)出了共極三電偶測溫范圍寬、精度高、多裕度的特點, 非常適用于航空發(fā)動機工況惡劣截面的溫度測試。

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