紅外測溫系統(tǒng)在航空發(fā)動機(jī)輪盤試驗(yàn)中的應(yīng)用

徐 銳，徐紅琴，沈獻(xiàn)紹，曹昆華，張宗林

（1.解放軍駐黎陽機(jī)械公司軍事代表室，貴州 平壩 561102；2.中航工業(yè)貴州航空發(fā)動機(jī)研究所，貴州 平壩 561102）

0 引 言

一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，物體的紅外輻射特性決定了其輻射能量的大小，波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度[1]。在輻射測溫的溫度范圍內(nèi)，最佳工作波長全部落在紅外波段[2]，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外測溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，紅外測溫儀的最佳設(shè)計(jì)和新發(fā)展為用戶提供了各種功能和更多的用途，擴(kuò)大了選擇余地。高性能航空發(fā)動機(jī)研制對輪盤試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求越來越高，傳統(tǒng)的熱電偶測溫方法受信號傳輸方式所限，試驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地反映試驗(yàn)情況[3]，考慮到非接觸紅外測溫的諸多優(yōu)點(diǎn)[4-7]，設(shè)計(jì)開發(fā)適用于航空發(fā)動機(jī)輪盤高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的紅外測溫系統(tǒng)并應(yīng)用于發(fā)動機(jī)輪盤超轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對輪盤溫度進(jìn)行非接觸測量，可實(shí)現(xiàn)輪盤在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度測量，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和可信度。

1 紅外測溫儀工作原理

圖1 紅外測溫儀工作原理圖

非接觸紅外測溫的關(guān)鍵元件之一是紅外輻射探測器，根據(jù)原理可以分為熱探測器和光子探測器兩大類[7-9]。雖然熱探測器和光子探測器探測紅外輻射強(qiáng)弱的原理不同，但由探測到的信號轉(zhuǎn)化為被測對象溫度所依據(jù)的基本原理一致。紅外測溫儀的工作原理如圖1所示。被測物體S和參考源R產(chǎn)生的紅外輻射，經(jīng)圓盤調(diào)制器T調(diào)制后輸至紅外敏感檢測器D，圓盤調(diào)制器由同步電動機(jī)M所帶動。檢測器D的輸出電信號經(jīng)放大器A和相敏整流器K至控制放大器C，控制參考源的輻射強(qiáng)度。當(dāng)參考源和被測物體的輻射強(qiáng)度一致時(shí)，參考源的加熱電流可代表被測溫度，將電流轉(zhuǎn)換成溫度值，由顯示器I顯示出被測物體的溫度值。

2 紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 紅外測溫儀的選型

依據(jù)文獻(xiàn)[3]論述，考慮渦輪盤及葉片的溫度可達(dá)到900℃左右，而壓氣機(jī)盤溫度在100℃以下的實(shí)際，選取測溫儀的使用范圍應(yīng)在0～1 000℃之間。然而紅外測溫儀普遍做不到這么大的溫區(qū)范圍，故選取兩臺MetisMB35型和一臺MetisMQ22型紅外測溫儀。

2.2 紅外測溫系統(tǒng)的安裝調(diào)試

2.2.1 紅外測溫系統(tǒng)的安裝

紅外測溫系統(tǒng)包括測溫儀主機(jī)、安裝支架、通信電纜、RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器、電阻（250 Ω）及 Sensor win軟件。基于文獻(xiàn)[3]的分析，本系統(tǒng)采用RS232/RS485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)接口信號轉(zhuǎn)換，通過Sensor win軟件進(jìn)行測量并設(shè)置發(fā)射率。利用電阻（250Ω）將紅外測溫儀0～20mA的模擬輸出轉(zhuǎn)換為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)輸出接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測溫儀及安裝支架如圖2所示。試驗(yàn)輪盤安裝在一個(gè)密閉的真空箱體內(nèi)，在加溫狀態(tài)下，真空箱內(nèi)環(huán)境溫度將達(dá)到300℃左右。將紅外測溫儀安裝在真空箱蓋外面（見圖3），通過安裝在真空箱蓋上的BaF2玻璃來測量輪盤的溫度，并在加溫電爐上沿半徑方向開一條20mm寬的槽以便紅外探頭能檢測到被測物體上的紅外能量。

圖2 測溫儀及安裝支架（單位：mm）

圖3 真空箱結(jié)構(gòu)及測溫儀安裝示意圖

2.2.2 紅外測溫系統(tǒng)的調(diào)試

在加溫狀態(tài)下對某輪盤同一點(diǎn)的溫度用紅外測溫儀和熱電偶同時(shí)進(jìn)行測量，以熱電偶測量結(jié)果校核紅外測溫儀的測量結(jié)果。通過調(diào)整發(fā)射率，使兩種測溫方式的溫度值相近，并對測量結(jié)果進(jìn)行了比較，見表1。

表1 調(diào)試中紅外測溫儀與熱電偶測量結(jié)果比較

3 紅外測溫系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度分析

3.1 影響紅外測溫準(zhǔn)確度的因素

發(fā)射率、距離系數(shù)和視場是影響紅外測溫測量準(zhǔn)確度最重要的因素。儀器選型后，距離系數(shù)和視場確定，正確設(shè)置發(fā)射率保證測量準(zhǔn)確度。測溫時(shí)，儀器應(yīng)與被測表面垂直，在任何情況下，法線夾角不大于30°，否則將影響測量準(zhǔn)確度。油霧大、觀測窗和儀器的鏡頭不清潔、電爐輻射能量的反射等環(huán)境因素對測量準(zhǔn)確度也有影響。

3.2 影響物體發(fā)射率的因素

材料的發(fā)射率與其溫度、表面粗糙度、表面處理方法等都有關(guān)系[10]，即：物體溫度的變化會使發(fā)射率發(fā)生變化；測量物體發(fā)射率時(shí)，表面的幾何形狀以平面為最佳，凸面的發(fā)射率會降低，凹面的發(fā)射率會提高；針對較薄的物體（幾微米到十幾微米），透射率高則發(fā)射率低，對厚的物體無影響；表面越光滑的物體發(fā)射率越低，表面越粗糙的物體發(fā)射率越高，氧化、噴沙的表面發(fā)射率會提高；在不同波段下的發(fā)射率是不同的，但儀器型號選定后，波長范圍就是確定的。

3.3 發(fā)射率的確定方法

發(fā)射率對表面溫度測量有很大影響，在紅外溫度測量中要進(jìn)行確定[7]。目前有3種確定方法：（1）首先用熱電偶或其他方法測量出物體的真實(shí)溫度，然后用紅外測溫儀進(jìn)行測量，調(diào)整發(fā)射率，直到兩種測溫方式的溫度值相近，這個(gè)發(fā)射率值就是物體的發(fā)射率。（2）對溫度不太高的物體（260℃以下），可以在被測物體表面貼上一塊發(fā)射率已知的紙片或其它薄片，在溫度達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，用測溫儀分別測量未覆蓋和覆蓋部分的溫度，調(diào)整測溫儀的發(fā)射率，使測得的溫度相近，便可得出被測物的發(fā)射率。這種方法也可通過在被測物體表面涂上發(fā)射率已知的油漆來實(shí)現(xiàn)。（3）對溫度較高的物體（260℃以上），除用第一種方法外，還可以在被測物表面鉆一空腔。空腔的深度與口徑之比應(yīng)為6∶1，可以認(rèn)為該空腔的發(fā)射率近似于黑體。用紅外測溫儀分別測量空腔和旁邊的溫度，調(diào)整測溫儀的發(fā)射率，使測得的溫度相近，便可得出被測物的發(fā)射率。依據(jù)輪盤試驗(yàn)實(shí)際只能選用第（1）種方法進(jìn)行確定。確定時(shí)，對同一點(diǎn)的溫度用紅外測溫儀和熱電偶同時(shí)進(jìn)行測量，調(diào)整發(fā)射率，直到兩種測溫方式的溫度值相近，這個(gè)發(fā)射率值就是物體的發(fā)射率。

圖4 試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)及測試原理示意圖

表2 發(fā)射率測量結(jié)果

4 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)設(shè)備為國內(nèi)某航空發(fā)動機(jī)輪盤超轉(zhuǎn)試驗(yàn)器，其結(jié)構(gòu)及測試原理示意圖見圖4。

4.1 靜止?fàn)顟B(tài)下確定試件發(fā)射率

選取電偶絲直徑為φ0.5mm的K型高溫?zé)犭娕季€，采用分立接觸方式將熱電偶焊接在輪盤及葉片上進(jìn)行測溫，溫度信號直接或通過滑環(huán)引電器進(jìn)入微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)用紅外測溫儀對電偶所測的相應(yīng)位置進(jìn)行測溫。用加溫電爐對試驗(yàn)件進(jìn)行加溫，將各試驗(yàn)件的溫度加到試驗(yàn)研究規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，在靜止?fàn)顟B(tài)下調(diào)整測溫儀的發(fā)射率，使紅外測溫儀所測溫度與電偶所測溫度相近（±3℃以內(nèi)），這個(gè)發(fā)射率值就是試件的發(fā)射率。某機(jī)高壓渦輪盤和低壓渦輪盤的輪緣、輪心和葉身根部靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)射率的確定結(jié)果如表2所示。

表3 對比測量結(jié)果

4.2 對比測量試驗(yàn)

采用上述方法，針對另一發(fā)動機(jī)試件，用靜止?fàn)顟B(tài)下確定的發(fā)射率對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度進(jìn)行了對比測量，對比測量結(jié)果見表3。

可以看出用靜止?fàn)顟B(tài)下確定的發(fā)射率和坡度值對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度進(jìn)行對比測量，熱電偶與紅外測溫儀所測取的溫度值是相近的（±3℃以內(nèi)）。由此，試驗(yàn)件在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的發(fā)射率相同，靜止?fàn)顟B(tài)下確定的發(fā)射率可用于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度測量。

5 結(jié)束語

影響測量準(zhǔn)確度最重要的因素是發(fā)射率，試驗(yàn)件在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下發(fā)射率相同。根據(jù)試驗(yàn)件的情況和試驗(yàn)溫度范圍，只能用熱電偶對發(fā)射率進(jìn)行確定，靜止?fàn)顟B(tài)下確定的發(fā)射率可用于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度測量。用熱電偶現(xiàn)場確定發(fā)射率的方法可以修正環(huán)境因素帶來的影響，提高非接觸紅外測溫裝置紅外溫度測量的準(zhǔn)確度。結(jié)合實(shí)際開發(fā)的非接觸紅外測溫裝置的對試件溫度的測量準(zhǔn)確度較高，一定程度上提高了發(fā)動機(jī)研制過程中轉(zhuǎn)動部件試驗(yàn)工作的效率，在國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)和工程試驗(yàn)領(lǐng)域處于先進(jìn)水平，該系統(tǒng)可用于航空發(fā)動機(jī)輪盤試驗(yàn)過程中的溫度測量。

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