非標(biāo)高溫?zé)犭娕加绊憸y量精度因素
發(fā)布時間：2022-05-11
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摘要:本文對幾種常用
非標(biāo)準(zhǔn)化高溫?zé)犭娕?/strong>在測溫過程中影響測量精度的各種因素，對提高測溫精度提出了幾點建議。
0引言
航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)性能的不斷提高,要求航空發(fā)動機(jī)的性能也要不斷提高，其手段之一就是提高渦輪前燃?xì)鉁囟取Ｊ澜缟犀F(xiàn)役的軍用飛機(jī)發(fā)動機(jī)的渦輪前燃?xì)鉁囟燃s為1500~1600℃，這個溫度還在不斷提高。
用于噴氣發(fā)動機(jī)溫度測量和控制的熱電偶要求能在更高的溫度范圍可靠地工作，這些熱電偶要經(jīng)受氫氣、碳化氫、空氣以及發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生的非平衡化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的影響。為了有效地測量和控制溫度，要求熱電偶反應(yīng)迅速靈敏，穩(wěn)定可靠，大量的非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶得到迅速發(fā)展以滿足某些特殊測溫要求。
1非標(biāo)準(zhǔn)化高溫?zé)犭娕己喗?br />
目前，常見的非標(biāo)準(zhǔn)化高溫?zé)犭娕加幸韵聨最?鉑銠系列:鉑銠40-鉑銠20熱電偶(可以達(dá)到1850℃溫度范圍，在特殊情況下甚至可以達(dá)到1880℃)。鉑銠系列:鉑銠60-鉑熱電偶(最高使用溫度可達(dá)2100℃)。可用于真空、惰性氣體或稍有氧化性的氣氛中，多用于宇航火箭技術(shù)中的測溫工作。鎢錸系列:鎢錸5-鎢錸20熱電偶可以測到2400~2800℃的高溫，短時達(dá)3000℃,但它在高溫下易氧化，只能用于真空或還原性、惰性氣氛中。在某些發(fā)動機(jī)設(shè)計單位，鉑銠40-鉑銠20熱電偶以及鉑銠熱電偶已經(jīng)在氣流高溫傳感器的研制中開始應(yīng)用。
2影響測量精度的因素
在使用這些非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶測量高溫氣流過程中，影響測量精度的因素很多，其中包括:靜態(tài)標(biāo)定、參考端溫度、催化效應(yīng)、導(dǎo)熱、輻射換熱、氣流速度等等，本文主要分析以下三種影響因素:靜態(tài)標(biāo)定、參考端溫度、催化效應(yīng)。
2.1靜態(tài)標(biāo)定
當(dāng)熱電偶的靜態(tài)標(biāo)定溫度超過1500℃時，標(biāo)定所用的高溫溫場大多由鎢管爐或高溫黑體爐提供，標(biāo)準(zhǔn)器則采用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計或標(biāo)準(zhǔn)的輻射溫度計。由于鉑銠系列和鎢錸系列熱電偶需要用在惰性氣氛中，所以需要充人氬氣并維持--定的壓力或流量以保證惰性氣氛。
在升溫或降溫的過程中不斷地充放氣，會破壞高溫爐內(nèi)的溫場，加劇溫場的波動，從而擴(kuò)大了測溫結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，測溫的精度也受到很大影響。
除了溫場波動對最終測溫精度的影響，高溫爐上所用的觀察窗對測溫準(zhǔn)確度的影響也不容忽視。常用的窗口材料為石英玻璃，波長范圍一般是0.23~4.5um,由于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計工作波長為0.66μm,，所以在不同溫度下石英玻璃對溫度的衰減也不同，通過在標(biāo)準(zhǔn)溫度燈上對同一批次三片不同的石英玻璃片進(jìn)行標(biāo)定，可以看出隨著溫度的升高，石英玻璃窗的溫度衰減越嚴(yán)重，標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示，石英玻璃觀察窗溫度衰減特性圖如圖1所示。
另外，值得注意的是，幾乎所有的金屬熱電偶在1500℃以上都會和碳起反應(yīng)，所以金屬熱電偶高溫下的標(biāo)定或測溫都不能在含碳?xì)夥障逻M(jìn)行，高溫爐發(fā)熱材料的選擇也要避開含碳的材料。
2.2參考端溫度
雖然鉑銠40-鉑銠20熱電偶在1550~1880℃之間的微分電勢是個常數(shù)，線性度很好，但是鉑銠40-鉑銠20熱電偶在常溫下有一定的熱電勢，并且微分電勢很小，所以參考端溫度的測量精度大大降低。測量高溫氣流的溫度的工況條件比較惡劣，不可能使用冰瓶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。測溫時熱電偶長度受到一定限制，參考端溫度直接受到被測介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境的影響,不僅很難保持在0℃，而且經(jīng)常是波動的。比如測量噴氣發(fā)動機(jī)排氣溫度時，由于熱電偶很短，參考端緊靠發(fā)動機(jī)排氣簡外殼附近，參考端溫度就是波動的。所以無論是鉑銠系列還是鉑銠系列，熱電偶參考端的溫度不等于0℃時，對被測溫度的正確率有著十分重要的影響。如果參考端溫度是變化的，那么引入的測量不確定度也是一個變量，對測溫的精度影響也更加復(fù)雜。
2.3催化效應(yīng)，
鉑銠金屬及其合金是著名的催化劑材料。用這些材料制成的鉑銠、鉑銠系列的熱電偶測量燃?xì)鉁囟葧r，在某些情況下當(dāng)燃?xì)夂团冀z接觸時，由于鉑族金屬的催化作用，能使氫-空氣、一氧化碳-空氣、甲烷-空氣、丙烷-空氣、丁烷-空氣等可燃混合氣體的氧化反應(yīng)加速。使熱電偶測得的溫度比氣流真實溫度高，從而使測量結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。
催化溫升的數(shù)值一般不具有重復(fù)性，所以很難用修正的方法來消除催化效應(yīng)引起的誤差。影響催化效應(yīng)的主要是燃?xì)鉁囟群蜌饬魉俣龋谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)溫度越高催化效應(yīng)就越明顯。氣流速度越高，催化溫升也越高。為此，在1700℃熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上對設(shè)計好的鉑銠、鉑銠40-鉑銠20雙屏偶進(jìn)行性能考察，將其與原有的B型參考溫度傳感器進(jìn)行比對研究，分析其在不同溫度、不同速度、不同抽氣壓力、偶絲表面是否鍍膜的測溫偏差，試驗結(jié)果如表2~3所示。各表中，Ma為氣流馬赫數(shù);Ps為抽氣壓力;I,為參考溫度(原參考溫度傳感器指示溫度);Po為總壓;pat為大氣壓;p.為靜壓;t0為被測溫度(高溫雙屏偶指示溫度);△t為測溫偏差。
鉑銠雙屏偶與鉑銠40-鉑銠20雙屏偶比參考溫度傳感器指示溫度高是不正常的。分析原因，可能是由，于鉑銠雙屏偶與鉑銠40-鉑銠20雙屏偶是新偶，貴金屬本身存在催化效應(yīng)，致使指示溫度偏高，可將新偶表面鍍膜，然后再與參考溫度傳感器(舊偶)進(jìn)行比對試驗。將銥銠雙屏偶、鉑銠40-鉑銠20雙屏偶的外屏、內(nèi)屏以及偶絲表面進(jìn)行鍍膜處理后，其測溫偏差試驗結(jié)果如表4~5所示。表中，△tr為相對測溫偏差。
由表4~5可以看出，鍍膜后高溫雙屏偶的測溫偏差有大幅度減小，說明新偶存在催化效應(yīng)的分析是正確的。
3提高測量精度的措施
根據(jù)以上影響因素的分析，可以通過以下措施提高非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的測量精度:
1)增強(qiáng)熱電偶標(biāo)定裝置中高溫爐的密封性，減少充放氣的次數(shù)，從而減小溫場的波動;
2)將石英玻璃觀察窗進(jìn)行標(biāo)定，修正石英玻璃窗對溫度的衰減;
3)熱電偶的參考端可以固定在恒溫器內(nèi)，能使參考端的溫度相對恒定，也可以減小參考端溫度波動對測溫的影響;
4)增加熱電偶的長度，減小參考端溫度受到的被測介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境的影響;
5)在使用工況完全確定的情況下，在熱電偶絲表面上鍍氧化鋁涂層，涂層不僅是在偶絲接點處，而是布及整個處于燃?xì)饬髦械馁F金屬偶絲，以減小催化效應(yīng)的影響。
