熱電偶測(cè)溫線路并聯(lián)備份工藝研究

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，運(yùn)載火箭高密度發(fā)射，各種新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、試驗(yàn)進(jìn)入高峰期。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，尤其是考核試驗(yàn)件可靠性的抽檢試驗(yàn)中，溫度測(cè)量是關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)之一。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)，因而成為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中最普遍的溫度測(cè)量手段。然而，在試驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)品所處的力、熱環(huán)境非常惡劣，熱電偶絲材制作的溫度測(cè)點(diǎn)容易脫落、折斷。此外，在某些試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)失效后不具備修復(fù)的條件，將造成參數(shù)無(wú)法獲取。因此，有必要對(duì)熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行工藝改進(jìn)，提高試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

1熱電偶溫度測(cè)量現(xiàn)狀

熱電偶溫度測(cè)量為接觸法，主要根據(jù)熱平衡原理，兩個(gè)物體接觸后，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到熱平衡，則它們的溫度必然相等。試車(chē)臺(tái)主要使用T型（銅、康銅）、K型熱電偶（鎳鉻、鎳硅）兩種熱電偶傳感器。T型熱電偶測(cè)溫范圍為 ^{-200～400°C} ，K型熱電偶測(cè)溫范圍為 0～1 300° 。傳統(tǒng)熱電偶溫度測(cè)量接線原理如圖1所示，試驗(yàn)件待測(cè)溫度 t₁?t₂ 處，兩個(gè)熱電極及屏蔽線延引至轉(zhuǎn)接件，然后利用同型號(hào)溫度補(bǔ)償導(dǎo)線連接參考端 t₀（0^°C 的冰水混合物），并通過(guò)主電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。

使用傳統(tǒng)的測(cè)溫線路時(shí)，每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)只有一個(gè)測(cè)溫支路對(duì)應(yīng)。在試驗(yàn)準(zhǔn)備期間，先把熱電偶絲材去掉絕緣層后熔球或絞合，制作成溫度傳感器，再通過(guò)粘貼或點(diǎn)焊的方式固定在試驗(yàn)件表面。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生高溫以及劇烈振動(dòng)，溫度測(cè)點(diǎn)存在脫落、折斷等風(fēng)險(xiǎn)。尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以及溫度測(cè)點(diǎn)處于密閉的真空艙中，失效后開(kāi)艙修復(fù)代價(jià)很高。此外，在某些推進(jìn)劑貯箱在軌蒸發(fā)試驗(yàn)中，熱電偶測(cè)點(diǎn)先布置在貯箱內(nèi)部，再對(duì)貯箱進(jìn)行焊接密封，這些測(cè)點(diǎn)一旦損壞，就無(wú)法修復(fù)，關(guān)鍵溫度參數(shù)測(cè)點(diǎn)無(wú)法獲取，將對(duì)試驗(yàn)造成不良影響。

2 測(cè)溫線路并聯(lián)備份連接方式的應(yīng)用

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫線路單路測(cè)點(diǎn)存在失效風(fēng)險(xiǎn)的缺點(diǎn)，可以采用多路測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量的方法，利用冗余來(lái)降低單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，然而占用的資源和成本會(huì)成倍提升。因此，在傳統(tǒng)測(cè)溫線路的基礎(chǔ)上，本文對(duì)測(cè)溫線路前端傳感器的并聯(lián)備份連接方式進(jìn)行了研究，其原理如下：

將 n 支同型號(hào)熱電偶的正極和負(fù)極分別連接在一起的線路稱為并聯(lián)線路。如果 n 支熱電偶的電阻值均相等，則并聯(lián)測(cè)量線路的總電動(dòng)勢(shì)等于熱電偶電動(dòng)勢(shì) E₁，E₂，…，E_n 的平均值 E^[2] ，即：

并聯(lián)線路常用來(lái)測(cè)量溫度場(chǎng)的平均溫度，并聯(lián)線路的熱電動(dòng)勢(shì)雖小，但測(cè)量值的平均值是期望值的最佳估計(jì)值，通常在多次測(cè)量中總是用算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。為了得到測(cè)量結(jié)果的不確定度，需要知道子樣算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差 δ_x^- ，子樣算術(shù)平均值x也是隨機(jī)變量，服從正態(tài)分布。概率論證明，當(dāng)子樣數(shù)據(jù)列的標(biāo)準(zhǔn)差為 δx ，子樣容量為 n 時(shí)，則子樣算術(shù)平均值x的標(biāo)準(zhǔn)差為：

由上式可知，原數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)差是算術(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差 的 倍，所以并聯(lián)線路其相對(duì)誤差僅為單支熱電偶的 ，而且當(dāng)某支熱電偶斷路時(shí)，測(cè)溫系統(tǒng)可以照常工作。

在實(shí)際溫度測(cè)量系統(tǒng)中，把傳統(tǒng)方式每一路溫度測(cè)點(diǎn)使用單獨(dú)的正負(fù)2個(gè)熱電極，改為每一路溫度測(cè)點(diǎn)在前端并聯(lián)一路甚至多路同型號(hào)熱電偶的正負(fù)2個(gè)熱電極。并聯(lián)位置在熱電偶傳感器與熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線連接處，并聯(lián)熱電偶測(cè)點(diǎn)互相為備份測(cè)點(diǎn)。圖2為熱電偶并聯(lián)備份測(cè)溫線路示意圖。根據(jù)熱電偶并聯(lián)備份測(cè)溫線路原理分析可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)某一支路熱電偶斷路時(shí)，測(cè)溫系統(tǒng)照常工作，確保了試驗(yàn)參數(shù)獲取率，提升了試驗(yàn)可靠性。因?yàn)椴⒙?lián)的僅僅是前端長(zhǎng)1～2m 的一小段熱電偶傳感器，與數(shù)十上百米的測(cè)量電纜相比，并聯(lián)備份既不占用測(cè)量通道資源，實(shí)現(xiàn)成本也很低。

需要注意的是，當(dāng)采用并聯(lián)備份測(cè)溫線路連接方式時(shí)，測(cè)得的實(shí)際上是2個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度，因此測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)固定在試驗(yàn)件同一位置且盡可能靠近。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1并聯(lián)備份測(cè)溫線路測(cè)溫試驗(yàn)

為了驗(yàn)證并聯(lián)備份測(cè)溫線路的有效性，根據(jù)圖1、圖2分別制作T型、K型熱電偶傳統(tǒng)測(cè)溫線路和并聯(lián)備份測(cè)溫線路，共計(jì)有四種測(cè)溫連接方式。測(cè)溫線路原理框圖如圖3所示。

T、K熱電偶 冰點(diǎn) 電纜 轉(zhuǎn)接柜 6000采集系統(tǒng)

搭載并聯(lián)備份試驗(yàn)裝置如圖4所示，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)名稱如表1所示。

將熱電偶溫度測(cè)點(diǎn) T₁?T₂?K₁，K₂ 固定于試驗(yàn)測(cè)試件同一表面位置，并置于恒溫箱中，恒溫箱初始溫度設(shè)置為 0°C，0 —50s時(shí)間區(qū)間恒溫箱設(shè)置為 100^°C ，60—110s時(shí)間區(qū)間恒溫箱設(shè)置為 50°C ，120—170 s時(shí)間區(qū)間恒溫箱設(shè)置為 200° 。采集系統(tǒng)記錄，對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)取恒溫時(shí)間區(qū)間內(nèi)15s的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算。T型熱電偶溫度測(cè)試結(jié)果曲線如圖5所示，K型熱電偶溫度測(cè)試結(jié)果曲線如圖6所示，溫度測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)如表2所示。

通過(guò)圖5、圖6實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線對(duì)比可以看出，T、K型熱電偶單路測(cè)溫與并聯(lián)備份測(cè)溫線路記錄曲線最大相差 1°C 。通過(guò)表2靜態(tài)數(shù)據(jù)分析可以看出，T型熱電偶單、雙路最大測(cè)溫相差 0.42°C ，K型熱電偶單、雙路最大測(cè)溫相差 0.49^°C ，符合熱電偶 ±1.5^°C 的測(cè)量允差范圍。

3.2 并聯(lián)備份測(cè)溫線路模擬斷路試驗(yàn)

采用并聯(lián)備份測(cè)溫線路，當(dāng)某支路熱電偶斷路時(shí)，測(cè)溫系統(tǒng)照常工作，可以有效降低關(guān)鍵溫度測(cè)點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。為模擬并聯(lián)備份線路某一支路斷路的現(xiàn)象，在記錄時(shí)間120s左右手動(dòng)剪斷 T₂ 并聯(lián)備份測(cè)溫線路某一支路，如圖7所示。圖8為并聯(lián)備份模擬斷路溫度測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果，其中T為傳統(tǒng)單路測(cè)溫連接方式， T₂ 為并聯(lián)備份測(cè)溫連接方式。從曲線可見(jiàn)，并聯(lián)線路的某一支路斷路后，曲線經(jīng)歷干擾毛刺后瞬間恢復(fù)正常，與剪斷前測(cè)溫結(jié)果無(wú)差異，起到了很好的冗余備份效果[3]。

4 應(yīng)用效果

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中應(yīng)用并聯(lián)備份測(cè)溫線路，測(cè)量出的溫度曲線如圖9所示，其中Thb1為并聯(lián)備份測(cè)溫連接方式。由圖可知，并聯(lián)備份測(cè)溫曲線平滑無(wú)干擾，變化趨勢(shì)與另外3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)單路傳統(tǒng)測(cè)溫連接方式一致，充分說(shuō)明了并聯(lián)備份測(cè)溫線路的有效性。

5 結(jié)論

使用并聯(lián)備份測(cè)溫線路，以較低的成本，實(shí)現(xiàn)了熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)的冗余，確保了試驗(yàn)的可靠性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并聯(lián)備份測(cè)溫線路與單路測(cè)溫線路測(cè)量溫度的差異在熱電偶測(cè)量允差范圍之內(nèi)。模擬并聯(lián)備份測(cè)溫線路某一支路斷路，測(cè)溫線路仍能正常工作。并聯(lián)備份測(cè)溫線路連接方式有效降低了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、推進(jìn)劑貯箱在軌蒸發(fā)試驗(yàn)等熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)，提高了試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王魁漢.溫度測(cè)量實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]樊尚春.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]張迎新，雷道振，陳勝，等.非電量測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.