動態溫度測量與校準技術

王毅，趙儉

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

動態計量技術發展跟蹤系列之四

動態溫度測量與校準技術

王毅，趙儉

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

盡管動態溫度測量技術得到了快速發展，但由于動態溫度測量既與傳感器本身結構相關，也與所處工況相關，影響因素眾多，因此動態溫度的測量仍然難以滿足實際的需求。本文對國內外的動態溫度測量與校準技術分別進行了介紹，分析了溫度傳感器動態特性校準的特點，并在此基礎上提出動態溫度測量與校準技術的發展方向。

動態溫度;測量;校準

0 引言

對于流體溫度的準確測量往往需要考慮溫度傳感器的動態性能，隨著技術的發展，對動態溫度測量和校準的要求越來越高。在武器裝備研制過程中，動態溫度往往表征了系統的工作狀態，在航空發動機燃燒室燃燒診斷、高超沖壓發動機地面試驗、脈沖爆震發動機瞬態氣動參數測量以及高能武器毀傷效果評估等研究中，都對傳統的動態溫度測量技術提出了挑戰。比如，對于航空發動機燃燒室的燃燒診斷研究，就需要對高頻脈動溫度信號進行測量和分析，對溫度測量頻響的要求達到了10～50 kHz，這比目前最快的細絲熱電偶溫度傳感器要高兩個量級;在火箭發動機地面試驗中，氣流溫度經常達到2000℃以上，而整個試驗時間只有短短的幾秒，這也對溫度傳感器的動態特性提出了極高的要求。在上述應用場合中，往往要求溫度傳感器具備高頻響能力，同時還要能夠適應高溫氣流環境，這種綜合性的要求增加了動態溫度測量和校準的難度。本文針對接觸式測溫方法，對動態溫度測量和校準技術進行了介紹，并在此基礎上提出了動態溫度測量和校準技術的發展趨勢。

1 動態溫度測量技術研究進展

測量流體的溫度，目前普遍采用的測溫方式是使用接觸式溫度傳感器。當接觸式溫度傳感器與測試環境達到熱平衡后，傳感器反映的溫度才是真實的流體溫度。溫度傳感器在測量溫度變化較快的流體溫度時，由于其自身熱容的存在，一般不能立刻反映被測溫度，會存在一定的滯后。在某些工況條件下，例如在氣流環境中，可能會引入較大的動態測量誤差。所以，在進行氣流溫度測量的時候，應對溫度傳感器的動態特性予以充分的重視。

1.1 常規氣流溫度傳感器的動態特性

常規氣流溫度傳感器為了抑制輻射誤差、導熱誤差以及速度誤差等，在結構上通常采用屏蔽罩設計，但是相比較而言，裸露式溫度傳感器的動態性能優于屏蔽式溫度傳感器。在氣流溫度傳感器的設計過程中，往往需要在動態誤差、輻射誤差、導熱誤差以及速度誤差之間做出平衡，需要根據工況條件，分析主要的誤差來源，從而做出最優的設計選擇。溫度傳感器動態特性的影響因素很多，除了溫度傳感器的結構尺寸外，被測介質的流速、紊流度、溫度、壓力等工況條件都會對其產生影響。在常壓氣流環境中，裸露式溫度傳感器的時間常數一般在0.02～2 s的范圍內，隨著偶絲直徑、焊球大小以及工況條件出現差異;典型屏蔽式溫度傳感器的時間常數一般在0.2～20 s的范圍內，偶絲直徑、屏蔽罩結構以及工況條件是主要的影響因素。需要特別說明，氣流溫度傳感器和傳感器的制作工藝關系密切，同一型號的傳感器，不同個體之間也往往會出現較大的差異。偶絲之間的夾角、密封用膠的多少以及均勻程度等細節都會影響到溫度傳感器的動態特性。

1.2 基于細絲熱電偶的動態氣流溫度測量技術

熱電偶絲的直徑越小，其熱容量也越小，同時熱電偶與氣流之間的對流換熱系數越大，因此，絲徑越小的熱電偶，其動態性能越好。根據這個原理，制成了細絲熱電偶，并利用細絲熱電偶測量快速變化的動態氣流溫度。圖1所示為幾種典型的細絲熱電偶結構簡圖。

圖1 幾種典型的細絲熱電偶結構簡圖

結構1采用絲徑φ0.08 mm的K型偶，支撐偶絲直徑為φ0.3 mm，偶絲采用楔形搭接形式用脈沖電阻焊接。這種細絲熱電偶結構簡單，動態響應快，但機械強度較低，當偶絲平面與氣流方向垂直時，偶絲容易損壞。

結構2采用絲徑φ0.05 mm的K型偶，支撐偶絲直徑為φ0.3 mm，細絲熱電偶采用平行對接，用氬弧焊的方式將偶絲正、負極熔融凝結成球形。這種方式簡單易行，但對于細絲熱電偶來說，由于球焊接點尺寸較大且個體差異難于控制，致使熱電偶響應速度低且一致性差［1］。

結構3采用絲徑φ0.1 mm的K型偶，支撐偶絲直徑為φ0.3 mm。由于要求響應快，需要偶絲直徑盡量小，但出于機械強度方面的考慮，偶絲直徑則要盡量大。結構3的細絲熱電偶在充分考慮這兩個因素的情況下，采用了平行電阻對焊工藝，焊接后能基本保持偶絲焊接前的尺寸和外形。焊接后將細絲壓制成平行于氣流方向的薄片狀，一方面可增大對流換熱面積，增強換熱，提高響應速度;另一方面能有效地減小熱電偶接點處的迎風面積，降低了其所受的氣動力，提高了機械強度［1］。

細絲熱電偶溫度傳感器的時間常數通常能控制在幾十毫秒的量級，因此在高溫氣流溫度測量中應用比較廣泛。美國、日本等國對于細絲熱電偶溫度傳感器的研究非常細致，主要體現在理論分析和計算模型分析方面［2－3］，這一點相比于國內的相關研究要深入很多。上世紀80年代相關理論研究工作已經展開，對簡化的細絲熱電偶模型進行計算，并開展了相關試驗研究工作。近期的理論研究對前期研究中的問題進行了改進，計算模型更加完善，特別是在一些細節問題上，包括偶絲材料性能、細絲與支撐桿之間的傳熱影響等都在模型中進行了考慮，并在此基礎上研究了脈動溫度測量的補償技術［4－5］。

1.3 多偶補償式動態氣流溫度測量技術

細絲熱電偶的機械強度差，而且頻帶不夠寬，根據動態校準的結果，細絲熱電偶的時間常數通常在幾十毫秒的量級。在許多實際應用中，要求測量頻率高達1 kHz的動態氣流溫度，這時的細絲熱電偶顯得無能為力。美國航空航天局(NASA)在上個世紀80年代，發展了一種多偶補償式動態氣流溫度測量技術，該技術采用絲徑不同的兩支或三支熱電偶，構成組合式熱電偶，如圖2所示。各熱電偶除絲徑不同之外，其它條件均相同。偶絲采用跨流對焊形式，這樣做的目的是為了利用跨流圓柱式努塞爾數準則方程，便于后續的計算處理。由于絲徑不同的熱電偶動態響應能力不同，根據不同熱電偶響應能力的差異，可用傅里葉變換的方法對傳感器進行頻率補償，從而得到真實的動態氣流溫度［6］。

目前，這種多偶補償式動態氣流溫度測量技術，在國外的燃氣渦輪發動機、斯特林發動機等的研制過程中，被廣泛地應用［7］。如圖3所示的溫度壓力復合傳感器就是利用了雙偶補償的原理，通過雙薄膜熱電偶的方式實現了發動機燃燒室脈動溫度的測量［8］。

圖3 用于高頻溫度壓力測量的復合傳感器

1.4 基于藍寶石光纖的瞬態高溫氣流溫度測量技術

藍寶石光纖高溫傳感器，通常是在藍寶石光纖頭部通過鍍膜等方式制成黑體空腔。黑體空腔感受的紅外熱輻射信號在光纖內部傳輸，經探測器轉換成電信號，由數采系統采集，并轉變成相對應的溫度值，如圖4所示。由于感溫部分為微米級甚至納米級的黑體腔薄膜，因而這種傳感器具有良好的動態響應能力，兼之藍寶石光纖材料的高熔點，使得傳感器在具備快響應能力的同時，可以測量高溫，因而可用于瞬態高溫氣流溫度的測量。國內中航工業北京長城計量測試技術研究所(CIMM)和中北大學均在該技術領域做了較深入的探索。CIMM研制了多點式藍寶石光纖高溫傳感器，研究了其校準技術，并將這款傳感器用于準確測量瞬態變化的高溫溫度場;中北大學采用藍寶石光纖傳感器構成高溫測試系統，利用瞬態乙炔焰進行了測試，結果表明，信噪比非常好，響應時間小于20 ms，結合理論外推，所測溫度達到了1960℃［9］。

圖4 藍寶石光纖高溫傳感器組成示意圖

藍寶石光纖高溫傳感器，具有可測高溫與動態性能好的優點，但藍寶石光纖質脆，在應用時需要重點關注。

1.5 基于薄膜熱電偶的動態表面溫度測量技術

薄膜熱電偶是利用熱電偶的原理，通過鍍膜技術制備的一種新型溫度傳感器，其厚度控制在幾個微米的量級。由于熱接點薄，質量小，熱容量小，薄膜熱電偶對快速變化的溫度響應迅速，比起傳統的熱電偶有很大的優勢。

德國的P.Hackelnannlll于第二次世界大戰期間提出并研制成第一批薄膜熱電偶，用于測量槍膛在子彈射出后壁溫的變化。美國NASA Lewis研究中心為滿足航空航天等惡劣環境下的測溫需要，在超耐熱合金、陶瓷等不同的襯底下，濺射沉積厚約5～8μm的Pt和Pt－Rh13，Pd－Cr14等合金薄膜作為熱電偶的兩極，由此研制出了測溫上限達到1100℃、最大測量誤差±0.3℃的高溫薄膜溫度傳感器［10］，如圖5所示。國內也有數家單位在此方面投入研究，目前基本上處于實驗室研究階段，還沒有展開實際的應用。

圖5 NASA的薄膜溫度傳感器

薄膜熱電偶主要應用于各種瞬態表面溫度測量，如航空發動機熱端表面溫度、火箭燃氣噴嘴壁面溫度、槍炮膛內壁表面溫度以及鍛壓模和機械制造中磨削時的瞬態溫度測量等。

1.6 冷線(cold w ire)溫度脈動測量技術

在一些研究領域，需要進行湍流溫度脈動的測量，對溫度傳感器的頻響要求更高，幾十毫秒量級的溫度傳感器已經不能滿足要求。冷線溫度脈動測量技術是可以達到更高頻響的一種測溫方法，通常能夠達到幾千赫茲以上。冷線溫度脈動測量技術實際上是采用熱線風速儀的恒流工作模式，具備很高的頻響能力。冷線材料自熱、冷絲與支撐桿之間的導熱熱損以及傳感器探頭的空間分辨力是影響冷絲溫度脈動測量頻率的重要因素，國外大量研究工作圍繞這三個方面的修正與補償展開［11－12］。

2 動態溫度校準技術研究進展

2.1 氣流溫度傳感器動態特性校準技術

氣流溫度傳感器的動態特性校準通常在校準風洞上進行，以校準風洞和溫度階躍裝置為基礎的氣流溫度傳感器校準技術開展時間最早，發展也最為成熟。從上世紀60年代開始，美國NASA就利用校準風洞針對各種氣流溫度傳感器進行了詳細的試驗研究。國內CIMM從上世紀70年代開始對氣流溫度傳感器的動態特性問題展開研究，經過幾十年的發展，已經具備了完善的校準試驗條件和方法，每年為航空、航天等多家型號單位提供氣流溫度傳感器的動態校準服務，積累了大量的數據。

從接觸式溫度傳感器的傳熱機理分析，傳感器和周邊環境之間時刻進行熱量交換。在對溫度傳感器進行動態特性校準時，工況條件是必須要考慮的重要因素。同一支溫度傳感器在不同的工況條件下會得到不同的時間常數，這里所述的工況條件主要指來流馬赫數、來流總溫、階躍溫度等，為了描述清楚氣流溫度傳感器的動態特性，通常需要給出詳細的校準條件。

校準風洞能夠提供穩定的氣流環境，來流馬赫數和來流總溫可以連續調節。彈射機構是一種彈簧機械機構，能夠瞬時將包裹在傳感器頭部的包罩裝置彈開，使傳感器瞬時暴露在校準風洞主流中，從而產生溫度階躍［13］，如圖6所示。使用校準風洞進行氣流溫度傳感器的動態特性校準，其突出的優點是能夠盡可能的模擬傳感器的實際工況，這一點對于氣流溫度傳感器的動態特性校準來所至關重要。

圖6 溫度傳感器動態特性校準系統框圖

在上述校準系統中，溫度階躍信號的產生是通過彈簧機械結構實現的，實際信號并非理想的階躍信號，因此不適合超快響應的溫度傳感器校準。一般當傳感器的動態響應時間在20 ms以下時，其校準結果就會表現出較大的分散性。

2.2 基于脈沖激光加熱的快響應氣流溫度傳感器動態校準

針對時間常數為毫秒量級的溫度傳感器，為了克服彈射式溫度階躍方式引入的誤差，近些年CIMM發展了基于激光脈沖加熱的快響應氣流溫度傳感器動態校準技術。該技術仍然利用校準風洞控制校準工況條件，利用脈沖激光能量使溫度傳感器在給定的工況條件下產生溫度階躍，如圖7所示。

圖7 激光激勵的溫度傳感器動態特性校準照片

利用脈沖激光對快響應溫度傳感器進行動態特性校準能夠大幅度地提高溫度校準結果的重復性，A類相對不確定度最大不超過2.4%，非常適用于快響應溫度傳感器的動態特性校準。由于采用了激光激勵的方式，該技術的應用也存在一定的限制。如該方法僅適用于裸露式結構的溫度傳感器，而對于屏蔽式結構等其它形式的傳感器，由于傳感器敏感元件不能直接感受到激光，因而難以使用。

2.3 水霧環境下的氣流溫度傳感器動態特性校準

當工質變化的時候，溫度傳感器的動態特性也會出現變化。CIMM對氣流溫度傳感器動態特性在水霧環境下的研究，源于機載或彈載大氣總溫傳感器在穿云過霧時的工質環境變化，設計人員關心大氣總溫傳感器在水霧環境下的動態特性。CIMM在傳統溫度傳感器動態特性校準的基礎上，設計了雨霧模擬裝置，通過雨霧模擬裝置將水霧添加至氣流中，水霧的添加量可以調節，進而模擬不同雨量條件，如圖8所示。

對多種結構形式的大氣總溫傳感器進行對比試驗研究證明，水霧的加入大幅度提高了溫度傳感器的動態特性［14］。氣流含水量的變化顯著影響溫度傳感器的動態特性，再加上氣流速度的影響，使得雨霧環境下溫度傳感器動態特性分析更加復雜，目前這方面的工作還處于初步研究階段，更深入的研究有待進一步展開。

圖8 雨霧環境下溫度傳感器動態特性校準示意圖

2.4 液體溫度傳感器動態特性校準技術

對用于測量油溫、冷卻液溫度的液體溫度傳感器，在進行動態特性校準的時候通常需要在水流的環境中進行。校準的基本方法是投入法，即將溫度傳感器快速投入到液體環境中，從而產生溫度階躍，校準試驗的數據采集以及處理方法與氣流環境下的方法相同。由于液體的換熱能力與氣體相比要高，因此對于同一支溫度傳感器而言，在液體介質中的動態特性要優于氣流介質。

3 動態溫度測量校準技術展望

3.1 發展新的動態溫度測量與補償技術

在動態溫度測量方面，為了適應相關武器裝備研制過程中對動態溫度測量提出的迫切要求，應該從兩方面開展攻關研究:一方面是通過減小傳感器熱容、增強傳感器與周邊環境換熱等方法提高溫度傳感器本身的動態特性，如細絲熱電偶、薄膜熱電偶等;另一方面，加強對溫度傳感器的系統辨識與機理分析，并在此基礎上進行動態建模與動態補償技術研究，最終通過軟硬件補償的方式實現溫度傳感器的快速響應。

3.2 發展新的溫度激勵方式

目前，對于溫度傳感器動態特性的校準，無論是傳統的機械式階躍還是激光激勵，都是近似的溫度階躍信號，同時將溫度傳感器近似為一階系統，通過校準給出時間常數或響應時間。這樣一種處理方法在很多時候無法滿足需要，尤其是對于實際工程中常見的周期性溫度脈動問題國內還沒有開展過研究。因此，在后續的動態溫度校準技術研究中，有必要嘗試脈沖、正弦等形式的溫度激勵方式。

3.3 進一步完善校準工況條件

工況條件是溫度傳感器動態特性的重要影響因素，這是溫度傳感器動態特性校準中需要特別注意的地方。在溫度傳感器動態特性校準過程中需要通過校準風洞模擬實際的傳感器工況條件，校準工況應該盡可能的貼近實際使用工況。因此，有必要進一步完善校準工況條件，擴展校準風洞的速度、溫度以及壓力覆蓋范圍。同時，還需要針對典型的溫度傳感器，在大量試驗數據的基礎上建立完善的數學模型，研究校準數據的內插和外推方法，對非校準工況點的溫度傳感器動態特性的確定奠定基礎。

4 結論

現有的動態溫度測量和校準方法基本上能夠滿足毫秒量級的動態溫度測試需求，對于新一代武器裝備提出的更高要求，無論是測量技術還是校準技術都有待于進一步地發展。對于快響應溫度測量技術，頻響更高的溫度傳感器和補償技術的結合是必由之路;對于動態溫度校準技術，更完善的校準工況條件、更科學的試驗模型和更豐富的溫度激勵方式是提高動態溫度校準水平的關鍵。

［1］吳疆，秦存民，王莉.細絲熱電偶溫度傳感器動態特性研究［J］.航空精密制造技術，2008，44(4):34－36.

［2］Petit C，Gajan P，Lecordier JC at al.，Frequency response of fine wire thermocouple［J］.J.Phys.E:Sci.Instrum.，1982，15:760－764.

［3］Dupont A，Paranthoen P，Lecordier JCat al.Influence of temperature on the frequency response of fine－wire thermocouples over the range(300－800 K) in airflows［J］.J.Phys.E: Sci.Instrum.，1984，17:14－18.

［4］Tagawa M，Kato K，Ohta Y.Response compensation of thermistors:frequency response and identification of thermal time constant［J］.Rev.Sci.Instrum.，2003，74:1350.

［5］Kato K，Tagawa M，K Kaifuku，Fluctuating temperaturemeasurement by a fine－wire thermocouple probe:influences of physical properties and insulation coating on the frequency response［J］.Meas.Sci.Technol.，2007，18:779－789.

［6］Elmore D L，Robinson W W，Watkins W B.Dynamic Gas Temperature Measurement System Final Report［R］.Cleveland: NASA－Lewis Research Center，1984:18－130.

［7］Takeshi Hoshino，Pisan Watanasirisuk，Mounir Ibrahim，at al.Dynamic Temperature Measurements in Stirling Cycle Machines Using Two－Thermocouple Technique［C］//2nd International Energy Conversion Engineering Conference.Providence: AIAA，2004:1－15.

［8］Passaro A，Biagioni L，Lagraff.Fast Acting Probe for Measurement of Turbulent Pressure and Temperature Fluctuations in a Gas Turbine Combustor［C］//44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，NV:AIAA，2006:1－16.

［9］王高，徐兆勇，周漢昌.基于藍寶石光纖傳感器的瞬態高溫測試及校準技術［J］.光電子激光，2005，16(4): 441－443.

［10］Lisa C Martin，John D Wrbanek，Gustave C Fralick.Thin Film Sensors for Surface Measurements［R］.Cleveland: NASA－Glenn Research Center，2001:1－7.

［11］Lecordier JC，Dupont A，Gajan P，at al.Correction of temperature fluctuation measurements using cold wires［J］. J.Phys.E:Sci.Instrum.，1984，17:307－311.

［12］Gilad Arwatz，Carla Bahri，Alexander JSmits，etal.Dynamic calibration and modeling of a cold wire for temperature measurement［J］.Meas.Sci.Technol.，2013，24:1－11.

［13］國家技術監督局.JJF 1049－1995溫度傳感器動態響應校準［S］.北京:中國計量出版社，1995.

［14］Zhao Jian，YiWang，Wang Peng，et al.Evaluation on Raindefense Performance of Temperature Sensors［J］.International Journal of Thermophsics，2010，31:1832－1841.

Dynam ic Tem perature M easurement and Calibration Technology

WANG Yi，ZHAO Jian
(Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China)

Dynamic temperaturemeasurement technology has developed rapidly.The dynamic temperaturemeasurement is notonly related to the structure of sensors，butalso to theworking conditions.For the reasonsmentioned above，the current technology cannot demand all the actual requirements.This paper introduces the dynamic calibration technology at home and abroad respectively，and analyzes the characteristics of the dynamic calibration for temperature sensors.And the development direction of this technology is also pointed out.

dynamic temperature;measurement;calibration

TB942

A

1674－5795(2015)01－0009－05

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.02

2015－01－06;

2015－01－20

航空推進技術驗證計劃

王毅(1977－)，男，高級工程師，碩士，主要從事動態溫度及氣體流速測量校準研究工作。