金-鉑熱電偶的壓氣機流場測溫分析

趙春雷，趙國昌，宋麗萍，佟顯義

（1.沈陽航空航天大學航空航天工程學部（院），遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學高等教育研究所，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

壓氣機作為航空發動機的五大部件之一，溫度和壓力是壓氣機試驗中兩個重要的測量參數。近幾年隨著航空業的發展和人們對溫度參數關注度的提高，傳統標準化熱電偶已無法滿足航空壓氣機試驗測量的新要求。測溫方法在滿足壓氣機中小空間溫度測量的要求下，允差＜±0.3℃，工作壽命＞5年。

測溫準確度的提高有助于提高壓氣機性能，尤其在測量壓氣機中小溫升時，這種影響更為突出。

1 傳統測溫方法的準確度比較

壓氣機級間溫升可表征壓氣機部分級的做功能力。單、雙級壓氣機試驗及壓氣機級間測量的小溫升一般僅為20～50℃，因此測量的相對誤差較大。較高準確度的測量可準確反映壓氣機實際工作情況，指導進一步的壓氣機設計。在壓氣機效率計算中，溫度測量誤差占總效率誤差的80%以上[1]。由此可見提高測溫準確度的重要。

壓氣機級間間距小，以某型渦扇發動機為例，其壓氣機轉子葉片和靜子葉片間距約為3～10 mm；因此，測溫探針的幾何尺寸應足夠小，以滿足測量環境的要求。壓氣機流場環境復雜，測溫探針需滿足一定的方向不敏感性，經設計后的測溫探針預留給其中傳感器的安裝尺寸有限。此外，測溫探針的安裝不可影響流場的流動。例如，葉形探針只適用于靜葉高度＞20mm的壓氣機段[2]。由此，應用于壓氣機測量的傳感器尺寸進一步受到限制。

航空壓氣機的氣流溫度測量廣泛采用熱電偶法和熱電阻法。由于兩者測溫準確度和適用范圍等優于其他測溫方法，一直受到人們青睞。熱電阻主要用于測量航空壓氣機進口氣流溫度，熱電偶主要用于測量航空壓氣機級間和出口的氣流溫度，與熱敏電阻等其他測溫方法配合使用。

熱電阻準確度普遍高于熱電偶和熱敏電阻，其準確度如表1所示。然而，熱電阻的結構形式是將純金屬細絲纏繞固定在絕緣支架上，外部加保護套管，因此測量端幾何尺寸較大，其直徑通常大于2mm，不適用航空壓氣機內部氣流溫度測量。

表1 熱電阻參數

目前，應用于壓氣機氣流溫度測量的熱電偶主要是等級I廉金屬熱電偶，國家計量檢定規程顯示其允差為±1.5℃。隨著熱電偶技術的發展，廉金屬熱電偶的準確度有所提高，如美國歐米茄公司生產的廉金屬熱電偶允差改進為±1.0～±1.2℃。貴金屬熱電偶在相同的測溫范圍內具有較高的準確度，但實際使用時，由于熱電勢較低，引入的相對誤差較大，從而影響測量準確度。因此，貴金屬熱電偶很少在低溫范圍使用，不適用于壓氣機溫度測量。不同型號的熱電偶參數如表2所示。

熱敏電阻通常包含在氣動探針中，與氣動探針共同測量壓氣機中的溫度和壓力參數。文獻[3]中敘述的帶熱敏電阻的氣動探針測溫范圍0～200℃，測溫允差±0.3℃。目前，熱敏電阻的允差提高到±0.1℃，但測溫范圍仍無明顯改善。由于航空壓氣機出口氣流溫度較高，一般為 600℃，部分可達 800～900℃[4]，所以帶熱敏電阻的氣動探針也不能完全滿足目前的航空壓氣機測溫新要求。

綜上所述，現行最優測量航空壓氣機氣流溫度的方法為熱電偶法，其允差最高可達±1.0℃。但就準確度而言，仍未達到目前的新要求±0.3℃。

2 金-鉑熱電偶的發展研究

提高熱電偶的測溫準確度是可能達到測溫新要求的最好方法。熱電偶材料決定著熱電偶的特性，傳統熱電偶材料由合金組成，其材料的均勻性和穩定性都限制了熱電偶的準確度與壽命。單質熱電偶由貴金屬單質構成，均勻性和穩定性都優于傳統熱電偶，具有優越的熱電特性。金、鈀、鉑、銠、銥、銀、釕等貴金屬是單質熱電偶常用的材料，經實驗研究發現，金-鉑、鉑-鈀是較好的熱電偶材料組合。金-鉑熱電偶的準確度略高于鉑-鈀熱電偶，鉑-鈀熱電偶的測溫上限略高于金-鉑熱電偶[5]。

金-鉑熱電偶采用直徑為0.5mm的高純度金絲與鉑絲，并用0.12 mm的鉑絲（去應力線圈）連接而成，如圖1（a）所示。資料顯示，純度為99.999%的金-鉑熱電偶在0～962℃范圍內不確定度＜8.3 mK，0～1000℃范圍內的不確定度增加到14mK，在963℃下可靠工作1000h以上[6]。韓國標準科學研究所采用鉑絲純度為99.9999%的金-鉑熱電偶，在1000℃可穩定工作1500h，在銀固定點的漂移量為40mK[7]。埃及國家標準研究所使用金絲純度為99.995%的金-鉑熱電偶，在0～900℃范圍內測得溫度的復現度僅為±4mK；文獻還顯示了相同溫度下金-鉑熱電偶的電動勢是傳統貴金屬熱電偶的2倍以上，介于傳統廉金屬熱電偶和貴金屬之間[8]。由以上研究可知，金-鉑熱電偶是一種高準確度的測溫方法，優于所知的傳統熱電偶。金-鉑熱電偶在0～962℃范圍內允差＜8.3mK，在高溫段使用壽命＞1500h。初步可認為金-鉑熱電偶符合目前壓氣機氣流測溫的新要求。

但上述的金-鉑熱電偶由去應力線圈連接制成，不適用工業環境的測量。如圖1所示，日本玉川大學對金-鉑熱電偶的結點結構進行改進，并與傳統結點的金-鉑熱電偶進行測量準確度試驗對比，結果顯示無去應力線圈的結構仍可長期穩定工作[9]；次年澳大利亞國家計量研究所采用了無去應力線圈的類似結構金-鉑熱電偶，如圖2所示，改進后的結構堅固，漂移量＜10mK[10]。

表2 熱電偶參數

圖1 日本玉川大學新結構金-鉑熱電偶圖

圖2 澳大利亞國家計量研究所金-鉑熱電偶示意圖

近些年隨著人們對金-鉑熱電偶認識的提升，有關金-鉑熱電偶在科研領域的應用也逐漸涌現。2003年日本九州大學研制的微米級金-鉑薄膜熱電偶，改善了熱掃描顯微鏡的測量效果[11]。2011年澳大利亞國家計量研究所采用金-鉑熱電偶校準輻射測溫固定點[12]。2012年中國清華大學利用金-鉑微納米級熱電偶驗證了交流加熱-直流檢測貝塞克系數的方法[13]。隨著人們對金-鉑熱電偶的逐漸認識和工業測溫要求的提高，金-鉑熱電偶的應用會從科研應用逐漸向工業應用擴展。航空工業作為國家大力支持的領域很有可能成為金-鉑熱電偶邁向工業應用的第一步。

3 試驗應用與分析

金-鉑熱電偶作為一種測量航空壓氣機氣流溫度的新方法，需在取代傳統熱電偶前試工作一段時間，待實際驗證可行后可正式使用。由于航空發動機試驗花費較高，不能為驗證金-鉑熱電偶單獨試驗，所以實際驗證金-鉑熱電偶的工作應在一般航空發動機試驗的基礎上完成，且保證驗證金-鉑熱電偶的過程中不會影響發動機的正常試驗工作。結合航空發動機的試驗，具體驗證方法步驟如下：

1）確定安裝位置。由于壓氣機內部和出口處空間較小、氣流流速快，若在此處布置傳感器對發動機內的流場流動影響較明顯。壓氣機進口處空間較大且流速較低，相對于壓氣機內部和出口處而言是較好的選擇。具體安裝位置應選在熱電阻傳感器位置相對稱的位置，便于使用熱電阻的測量值檢測金-鉑熱電偶。

2）傳感器制作。改裝金-鉑熱電偶，使其幾何尺寸與傳感器的尺寸相近，并盡可能的小，以減小對流場的影響。

3）試驗驗證。金-鉑熱電偶裝置安裝后，正常開展航空發動機的試驗工作，在采集試驗數據的同時采集金-鉑熱電偶的測量數據。

4）結果比較。重復驗證金-鉑熱電偶，將其測量值與相同位置的熱電阻測量值比較分析。

5）得出結論。若金-鉑熱電偶的測量值與熱電阻的測量值之差在合理的范圍內，則可判定金-鉑熱電偶測量值準確。當判定金-鉑熱電偶測量值不再準確時，統計金-鉑熱電偶的使用總時間，得出單支金-鉑熱電偶的準確度與使用壽命。

6）重復以上步驟。隨機統計3支以上的金-鉑熱電偶的準確度和使用壽命。求平均值并最終確定金-鉑熱電偶是否滿足新的要求。

參照國外的研究進展，可初步預判金-鉑熱電偶滿足航空壓氣機測溫的要求。若不滿足，應首先檢測傳感器的制作過程中是否有誤。

美國國家標準與技術研究院（NIST）出售的金-鉑熱電偶價格昂貴（約￥80000），但高純度的金、鉑材料成本遠低于金-鉑熱電偶價格，所以金-鉑熱電偶價格昂貴的實質原因在于制作加工成本較高。目前，金-鉑熱電偶已作為美國、韓國的標準熱電偶，若國內也將其標準化，金-鉑熱電偶將得到加速推廣，制作成本也會降低，最終價格將會與其他貴金屬熱電偶的價格相近。在航空領域，貴金屬熱電偶早已廣泛應用于高溫測量，所以金-鉑熱電偶的最終價格也易被接受。

4 結束語

本文結合現今航空壓氣機的測溫現狀和測溫新要求，提出了應用金-鉑熱電偶提高測量準確度的新方法，分析、歸納了金-鉑熱電偶的研究和應用現狀及分析了實際應用時可能遇到的問題。金-鉑熱電偶準確度、壽命等均遠高于目前標準化熱電偶，能夠滿足航空壓氣機試驗的新要求。鑒于試驗在航空發動機研制環節中的重要部分，應用金-鉑熱電偶可以推進航空發動機試驗工作的進展，為航空發動機的設計提供更準確的試驗數據支持。

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