鎢錸熱電偶在航天器真空熱試驗中的應用

安萬慶，柳曉寧，趙翔宇，朱 熙（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

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鎢錸熱電偶在航天器真空熱試驗中的應用

安萬慶，柳曉寧，趙翔宇，朱 熙
（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

摘要：目前國內在航天器熱試驗溫度測量方面還沒有開展超過1400℃的超高溫測量技術研究。文章基于航天器熱試驗常用熱電偶測溫原理，分析了鎢錸熱電偶的結構及制造工藝，并搭建一套熱試驗測量系統以驗證其在航天器真空熱試驗溫度測量系統中的應用。試驗結果及數據分析表明，在真空低溫環境下鎢錸熱電偶能夠實現1600℃溫度測量。

關鍵詞：溫度測量；鎢錸熱電偶；真空熱試驗；數據分析

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0　引言

溫度測量的方法很多，按照測量方式主要分為接觸式和非接觸式2大類。通常來說接觸式溫度測量比較簡單、可靠、測量精度較高，但因測溫元件（溫度傳感器）與被測介質（試件）需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現象；同時受到耐高溫材料的限制，不能應用于高溫測量。而非接觸式測溫是通過熱輻射原理來測量溫度，測溫元件不需要與被測介質接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應速度一般也比較快；但受到物體的發射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大[1]。

隨著我國深空探測任務的開展和天地往返飛行器的研制，航天器及其組件會遇到高溫熱環境，最大熱流密度可達420個太陽常數，溫度可達1600℃。而目前國內航天器熱試驗尚未測量超過1400℃以上的溫度，測量傳感器的制造工藝、使用方法、安全性、可靠性、壽命等還未掌握。

本文基于常用熱電偶測溫原理，分析測溫傳感器的制造工藝及使用方法，并自行搭建測量系統以驗證鎢錸熱電偶是否能夠滿足航天器熱試驗1600℃的測量需求。

1　熱電偶測溫原理

用于航天器真空熱試驗的測溫傳感器有熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻和二極管測溫。表1給出了上述幾種測溫傳感器的性能對比。

表1　測溫傳感器性能對比Table 1　The temperature sensor’s performance

熱電偶測溫的基本工作原理是熱電效應，又稱塞貝克效應，如圖1所示，將2種不同材料的導體A和B連接成閉合回路，當2個連接點1與2的溫度不同時，如T＞T0，回路中就會產生熱電勢EAB(T, T0)，該電勢的方向和大小與這2種導體的性質和接點溫度有關。導體A、B稱為熱電極，由A、B兩極焊接成對后則稱之為熱電偶。在2個連接點中，連接點1是將兩電極焊接在一起，測溫時將它置于被測溫度場中，故稱之為測量端；連接點2處于環境中，要求溫度恒定，故稱之為參考端[2]。

圖1　熱電偶測溫工作原理Fig. 1　The principle of thermocouple

2　鎢錸熱電偶結構及制造工藝

2.1鎢錸熱電偶特點及結構

鎢錸熱電偶于1931年由Goedecke（戈德克）首先研制出來[3]，是19世紀60—70年代發展最成功的熱電偶。鎢錸熱電偶是一種難熔的金屬熱電偶，最佳使用溫度在2000℃左右，當溫度高于2300℃時測量數據會分散，最高使用溫度為2800℃。

鎢錸熱電偶的特點如下：

1）鎢錸熱電偶在1300℃以下晶粒尚未長大，故其使用壽命很長；但當溫度超過1500℃時，其晶粒開始慢慢長大，當晶粒長到與熱偶絲直徑相當時熱電偶會變得十分脆弱。

2）鎢錸熱電偶極易氧化，適于在惰性或干燥氫氣中使用，或用致密的保護管使其與氧隔絕才能使用，不能用于含碳氣氛（如在含碳氫化合物的氣氛中使用，溫度超過1000℃即受腐蝕）。

3）鎢或鎢錸在含碳氣氛中容易生成穩定的碳化物，以致其靈敏度降低并引起脆斷，在有氫氣存在的情況下，會加速碳化。

目前國內在測量超過1600℃的溫度時多采用非接觸測溫法，但相比于接觸法，其測量誤差較大。在接觸測溫傳感器中熱電偶比較適用于高溫測量，但貴金屬熱電偶價格昂貴且最高測量溫度也只能在1800℃，而鎢錸熱電偶不僅測溫上限高，且相對穩定性較好。鎢錸熱電偶結構如圖2所示。

圖2　鎢錸熱電偶結構Fig. 2　The structure of wolfram thermocouple

2.2鎢錸熱電偶制造工藝

1）制造材料及設備：制造鎢錸熱電偶需要的材料包含鎢錸熱偶細絲、耐火泥頭、U型石英玻璃管、塑料插件、扁平補償導線、鋁帽快干水泥；主要設備包含熱端焊機、自動恒溫烤箱、冷端焊機、攪拌器、正負極性檢測儀。

2）制造工藝：鎢錸熱偶絲的理想剪切長度是31mm，溫度采集是正極和負極之間的電勢差，如果熱偶絲長度太短，則熱電勢在短時間內不易平衡[4-5]；熱偶絲越長，熱電勢越容易穩定，但熱偶的熱響應時間會相應變長。熱電偶的測量端露出水泥表面的高度為13mm，補償導線距水泥表面的距離為14mm，這樣才能保證熱電偶溫度快速（3s以內）達到熱平衡。熱偶絲穿過石英管時要保證絞絲分開處在石英管頂部正中，否則熱偶絲兩極長短不齊，會導致熱電勢不穩定，并影響最終測量結果的準確性。

補償導線是在一定溫度范圍內，熱電特性與熱電偶熱電特性相近的導線。使用補償導線時要注意：首先不能超出規定的溫度范圍，只有在0～100℃之間二者才有一致的熱電特性；其次極性不能接反，最后分度號須保持一致且兩極導線的修剪必須在同一平面上[6]。

快干水泥的絕緣性﹑熱傳導、強度、耐受等性能的優劣同樣非常重要，直接影響測溫成敗。如果水泥內部有氣孔就會導致參考端溫度升高；為了使水泥充實平整、沒有大的氣孔，在澆灌時最好是分為2次，即先澆灌一半，等待約30min，至快干水泥反應完全后再次澆灌。烘烤后的快干水泥應保證具備低熱傳導率，高強度下仍不會開裂。烘烤后，補償導線和鋁帽之間的絕緣電阻阻值不能小于500M?，使用時不能小于5M?。回路電阻不能大于3?[7]。

3　真空熱試驗驗證

3.1試驗簡介

本次試驗設計以C/C、C/SiC高溫復合材料熱結構件為試驗件，熱試驗系統工作原理如圖3所示。

圖3　熱試驗系統工作原理示意Fig. 3　The sketch map of the working principle of thermal testing system

在系統控制策略方面以石墨作為加熱元件的輻射加熱系統，石墨加熱陣電氣控制系統為石墨加熱陣提供電能并對加熱溫度進行控制。電氣控制系統包括變壓器、可控硅調控柜、鎢錸熱電偶、溫控表等，系統控制原理見圖4。

圖4　石墨加熱陣電氣控制系統原理Fig. 4　Schematic diagram of control system for graphite heating

在測量技術方面，鎢錸熱電偶測量超高溫時的安裝方式有粘貼、噴涂和機械固定[8]，但高溫膠難以耐受1800℃以上的溫度、高溫熱電偶噴涂技術在國內也尚未成熟應用，因此試驗中選擇機械固定方式，采用石墨螺釘將6個鎢錸熱電偶壓固在C/C試驗件表面，如圖5所示。試驗分2種工況進行。

圖5　鎢錸熱電偶固定狀態Fig. 5　The states of wolfram thermocouple fixation

3.2試驗結果

1）工況1

工況1為驗證程序控制能力及調試溫度控制方案，對可控硅控制器輸出開度按照10%、20%、30%、35%、40%遞增逐步加電，如回路出現過流則下調控制開度為30%，隨后斷電降溫。

圖6給出了可控硅控制器輸出開度由10%調整至40%期間的溫度變化曲線。圖7為從高溫端開始降溫的溫度變化曲線，其中3號、6號測點出現失效現象。經分析發現，在第1次加電期間，在溫度超過1900℃后，由于3號、6號測點位于加熱器前端封口位置，漏熱量較大，對熱電偶絕緣性造成影響，因此這2個測點失效，測量數據發生跳變。

圖6　工況1溫度上升曲線Fig. 6　The curves of temperature rising in Case 1

圖7　工況1溫度下降曲線Fig. 7　The curves of temperature dropping in Case 1

2）工況2

工況2將可控硅控制器輸出直接調整為工況1摸索出的40%開度，直至熱電偶測量溫度達到1600℃，隨后斷電降溫。圖8為試驗件溫度上升及下降曲線，其中2號、3號測點已失效。

試驗過程中，在加電12min以后，溫度由700℃左右升至2100℃左右，試驗溫度超過1800℃，各測點高溫端溫度曲線如圖9所示。從圖中可看出：1號測點高溫端溫度雖然未發生大幅度跳變，但與4、5、6號測點相差較大，4、5、6號測點在最高溫度區一致性較好；6號測點在較低溫區和1、4、5號測點溫度偏差較大；在溫度升至2110℃時，所有測點測量溫度驟降。分析其失效原因可能是：采用機械固定工藝方式的熱電偶在經歷高溫試驗溫度超過1800℃時發生斷裂。

圖8　工況2溫度上升及下降曲線Fig. 8　The temperature rising and dropping in Case 2

圖9　測點高溫端溫度曲線Fig. 9　The temperature curves at the high temperature part

3.3小結

經過2種工況的試驗測試，雖然在溫度超過1800℃時會由于絕緣保護裝置和固定方式等問題發生溫度驟降、測溫點失效的現象，但鎢錸熱電偶完全可以滿足1600℃及以下的測溫要求，且性能穩定。

圖7的6個測點中，2個測點失效，失效率為1/3；在圖9的4個測點中，上升段中3個測點出現非穩定工作狀態（占3/4）。分析其原因可能是：1）在試驗準備階段，對鎢錸熱電偶裸絲擰制了熱電偶接頭后，利用氬弧焊實現熱電偶頭制作，但是加工質量和工藝較差，無法保證傳感器的測溫穩定性；2）在熱電偶的固定方式上，由于試驗溫度過高，膠粘技術難以實現（現有高溫膠只能耐受800℃以下溫度，國內高溫試驗領域尚未見到成熟應用案例），所以在試驗中只能采取穩定性較差的機械安裝方式。因此，若要在航天工程中實際應用鎢錸熱電偶進行高溫測量，還需提高熱電偶制造工藝及熱噴涂固定技術。

3.4試驗數據及誤差分析

溫度越高，鎢錸熱電偶的校準過程引入的不確定度也越大，因此選擇1500℃作為對其進行不確定度評定的溫度[9]。

3.4.1由參考點標準器帶來的不確定度分量

經檢定合格的、在有效期內的鉑銠電阻在1500℃時的擴展不確定度溫度為3.3℃，且認為是正態分布，包含因子k=2.58，則：

U1T（1500℃）=3.3℃/2.58=1.28℃；

U1（1500℃）=0.00145mV。

3.4.2數據采集設備引起的誤差

數據采集使用的是Agilent 4411數字多用表，其額定量程為0～100mV，最大誤差＜(讀數× 0.005% +量程×0.0035%)，按均勻分布取測量數據最大值參與計算可得：

3.4.3保護套管內外溫差的影響

由于采用陶瓷保護套管，根據經驗，壁厚為1mm的套管在溫度為1500℃時的內外溫差小于3℃，按均勻分布考慮，則：

引入各不確定度分量的因素互不相關，因此合成標準不確定度Uc為

計算得到Uc（1500℃）=1.52℃，取包含因子k=2，其擴展不確定度為U（1500℃）=k×Uc=2×1.52℃= 3.04℃。

3.4.4提高測量精度的方法

通過以上不確定度的分量分析，可以總結出以下提高鎢錸熱電偶測量精度的方法：1）增加參考端保護裝置的致密性；2）提高熱電偶的安裝工藝方法的穩固性；3）提高數據采集儀器的準確度；4）改善鎢錸熱電偶制造工藝[10]。

4　結束語

本文首先從理論角度分析了航天器熱試驗常用熱電偶及其測溫原理，隨后對可用于航天器熱試驗高溫測量的鎢錸熱電偶的結構及制造工藝進行分析。通過鎢錸熱電偶空芯密封穿艙及超高溫絕緣處理技術，實現了其在真空熱試驗下的超高溫測量，驗證了其性能指標。結果表明，鎢錸熱電偶能夠滿足未來航天器真空熱試驗超高溫度測量的需求，解決了國內航天器熱試驗在超高溫度測量方面的難題。

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（編輯：張艷艷）

The application of wolfram thermocouple in spacecraft thermal test

An Wanqing, Liu Xiaoning, Zhao Xiangyu, Zhu Xi
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:The temperature has not exceeded 1400℃ in the spacecraft thermal test in our country. Based on the principles of the commonly used thermocouple, the structure and the manufactural techniques of the wolfram thermocouple are analyzed, and a measurement system is developed. The application results of the wolfram thermocouple in a spacecraft vacuum thermal test show that it can meet the temperature measurement requirement of 1600℃ in the vacuum thermal environment.

Key words:temperature test; wolfram thermocouple; vacuum thermal test; data analysis

作者簡介：安萬慶(1987—)，男，碩士學位，主要研究方向為航天器環境試驗測控技術。E-mail: wanqing5010@126.com。

基金項目：北京衛星環境工程研究所自主研發項目“真空熱試驗極高熱流模擬技術研究”

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2016-03-16

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.014

中圖分類號：TH811; V416.5

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0189-05