共極三電偶探針測溫特性分析與研究

沙朋朋， 郭道勇， 石小江， 林興梅

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著航空科技的高速發展，尤其是火箭和航空發動機的發展，溫度的快速、準確測量技術愈加重要[1]。熱電偶是目前各國在航空發動機進行溫度測量時應用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。它具有結構簡單、制作方便、準確度高、熱慣性小等優點，既可以用于靜態環境溫度測量，也可以用于動態環境溫度測量[2]。

航空發動機內部氣流溫度場分布測量主要采用固定式干涉溫度探針來測量，探針根據發動機試驗需求設計測點。若同一點溫度變化跨越了某類電偶（如T型）的測量范圍，需布設多種熱電偶結構，且布設到空間同一位置難度較大，因此提出共極性熱電偶，解決試驗中寬范圍、高精度，同一點溫度的可靠性測量[3]。共極三電偶概念的提出：共極三電偶是指將兩個有同材料極的不同電偶組合在一起，能夠測量同一點處溫度的組合電偶。共極三電偶原理圖如圖1所示，通過共極后形成3個回路，A-C回路，B-C回路和A-B回路，圖中e(T,TO)表示溫差電勢，e(ABBCAC)(T)表示接觸電勢。

圖1 共極三電偶原理圖

由熱電偶測溫原理[4]可知，熱電偶測溫時存在的延遲與滯后特性會導致熱電偶測溫存在靜態誤差和動態誤差[5]。其中，靜態誤差是指被測介質溫度保持不變，在熱電偶與被測介質達到動態熱平衡時，由于測溫系統導熱、輻射等因素的影響，從而造成熱電偶熱端溫度低于實際的被測溫度；動態誤差是指當被測介質溫度變化時，由于熱電偶存在熱慣性，導致其響應速度慢，不能及時反應出被測介質的實際溫度。本文針對共極三電偶探針開展靜態特性和動態特性研究。

1 共極三電偶探針設計

1.1 共極三電偶組合方式

標準化廉金屬熱電偶KP和EP都稱為鎳鉻，名義化學成分均為Ni90Cr10；熱電偶TN和EN都稱為銅鎳，名義化學成分均為Cu55Ni45，以及少量錳、鈷、鐵等[6]。KP與EP、EN與TN名義化學成分無差異，理論上可進行熱電偶互換。以K-E組合為例，K分度和E分度都以鎳鉻為正極，鎳鉻是該類組合的共用極。采用K分度熱電偶正極為共用正極的定義為K+，形成的測量回路分別是：K+_K-、K+_E-和K-_E-，如圖2所示；采用E分度熱電偶正極為共用極的定義為E+，形成的測量回路分別是：E+_K-、E+_E-和K-_E-，如圖3所示。分別以鎳鉻、銅鎳作為共極，形成共極三電偶組合方式有4種，其他組合形式的定義方式與此相同。

圖2 共用KP組合示意圖

圖3 共用EP組合示意圖

為排除熱電偶材料成分差異的影響，進一步研究共極三電偶的熱電特性線性度、重復性和測量精度，分別以K分度的鎳鉻、鎳硅為共用極，形成兩種共極三電偶組合方式。共極三電偶組合詳細信息見表1。

1.2 共極三電偶探針結構設計

Yule等[7]指出確定熱流場中的熱傳導速率對動態溫度的準確測量有重要意義，為減小導熱誤差對探針測試精度的影響，結合探針應用環境和電偶熱接點的機械穩定性要求，將探針偶絲長度/偶絲直徑（L/D）比設計為9[8]，同時忽略輻射誤差和速度誤差對測試結果的影響，共極三電偶探針測量端設計成裸露的“一”字型結構，與常規標準探針測量端對比圖如圖4所示。

共極三電偶探針用偶絲型號為K型、E型、T型，偶絲直徑均為0.5 mm，偶絲準確度等級均為Ⅰ級，熱接點為球形焊接，接點直徑約為1.2 mm。探針支桿為φ6 mm×1 mm的不銹鋼管，支桿內部熱電偶通過四孔瓷管和單孔瓷管互相絕緣，支桿內部后端灌封105-A耐高溫無機膠黏劑和DG-4環氧膠黏劑進行固定密封。共極三電偶探針生產完成后，對探針進行電偶通斷性與絕緣性檢測，結果均滿足設計技術要求[9]。

表1 共極三電偶組合方式表

圖4 探針測量端對比圖

2 共極三電偶探針測試方法

2.1 靜態特性測試方法

本次共極三電偶探針測試試驗內容主要包括探針熱電特性測試、熱電特性穩定性、可重復性的試驗驗證。根據熱電偶推薦使用溫度范圍，確定各分度偶絲直徑為0.5 mm的長期使用最高溫度[10]，該溫度作為共極三電偶探針測試溫度上限，具體測試溫度點見表2。

表2 共極三電偶探針測試溫度點

共極三電偶探針采用雙極比較法進行測試試驗[11]，要求每個測試溫度點的測量次數不應少于4次，重復試驗的每步數據記錄次數不少于3次。在共極三電偶探針進行測試試驗之前，將探針各電極與普通銅導線焊接，并確定其無虛焊現象，形成熱電偶的參考端（即冷端）。250 ℃以下采用恒溫油槽測試方式，主要使用二等標準鉑電阻溫度計恒溫油槽、堆棧式測溫儀等設備。250 ℃以上采用熱工儀表自動檢定系統，主要設備包含一等鉑銠10-鉑熱電偶、熱電偶檢定爐、數字多用表等。恒溫油槽和熱電偶檢定爐在有效工作區域內溫差均小于±1 ℃。

2.2 動態特性測試方法

航空發動機整機及部件常規測試中，大部分測量截面馬赫數Ma≤ 0.6，因此將試驗件分別置于Ma為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6工況下進行動態特性測試。共極三電偶探針采用激光法測量熱響應時間常數[12-14]，設備簡圖如圖5所示。試驗系統利用高功率可調頻的CO2激光器對熱電偶感溫探頭進行加熱，同時利用亞音速常溫風洞調節吹風工況，當接點溫度達到指定穩定溫升值時立即關閉激光器，形成負的溫度階躍，在此過程中動態數據采集系統連續采集數據，記錄下熱電偶動態響應特性曲線，之后進行數據處理獲得動態響應特性表征參數中的熱響應時間常數[15]。本系統階躍溫度達到1200 ℃時，階躍延遲時間<0.1 ms，近似于理想階躍延遲時間。

3 共極三電偶探針靜態特性測試結果

3.1 探針各回路熱電特性分析

通過探針測試試驗，獲取了測試溫度下各回路的測量電勢。選取測試探針中K-E型組合試驗件A/B第1輪試驗數據如表3所示。

對探針各回路熱電特性數據分析可以得出：共極三電偶探針3條回路中，在某溫度點的熱電勢，最大者是其他兩回路熱電勢之和。以試驗件A為例，溫度為T時，EK+_E-=EK+_K-+EK-_E-；對于共極材料為自身電偶正極的試驗件E，溫度為T時，第3條回路的熱電勢達到萬分位，忽略不計；各個回路的熱電特性均有較好的線性度，重復性比較理想，熱電特性穩定。直徑為0.5 mm的T型熱電偶的測溫上限為250 ℃，但歷經3輪重復性標定試驗后，測點完好，說明探針測量端可靠性得到提高。

圖5 試驗系統簡圖

3.2 探針各回路測量精度分析

以試驗件A/B為例，K-E型組合中K+_K-回路和E+_K-回路直接采用K型熱電偶分度表處理數據，E+_K-回路和E+_E-回路直接采用E型熱電偶分度表處理數據，并分別與S型標準熱電偶進行對比，繪制溫度與測量精度百分比曲線圖，如圖6所示。試驗件C/D/E/F數據處理方式相同。

試驗件A/B中K型回路的測試精度比試驗件E/F兩回路測試精度偏低，用EP代替KP，對探針測試精度產生影響。

試驗件A/B/E/F各回路的誤差比較穩定，雖然部分溫度點超出Ⅰ級熱電偶0～400 ℃范圍內測溫不確定度為±1.5 ℃的準確度標準，但可以滿足Ⅱ級熱電偶測溫不確定度為±0.7%的準確度標準，可以直接利用現有的分度表將熱電勢轉換為溫度值。

試驗件C/D標準回路的誤差較大，不適合直接利用現有的E型和T型分度表處理數據，可利用本次測試數據得出熱電勢與溫度的關系多項式，即E+_E-回路和E+_T-回路需采用E型熱電偶多項式處理數據，T+_T-回路和T+_E-回路需采用T型熱電偶多項式處理數據，屆時探針將提高至Ⅰ級熱電偶的精度標準。

表3 K-E型（試驗件A/B）試驗數據

圖6 共極三電偶探針各溫度點下的測試精度

3.3 數據處理

以試驗件A/B為例，分別建立K+_K-回路和E+_K-回路的熱電勢與S型標準熱電偶溫度值的多項式關系。因熱電偶在不同溫度下的賽貝克系數不同，所以K型熱電偶建立5個分溫度段多項式，如圖7所示。同理可知，分別建立E+_K-回路和E+_E-回路的E型熱電偶熱電勢與溫度關系式、K-_E-非標準回路的K-E型熱電偶熱電勢與溫度關系式。

利用試驗件A/B數據處理多項式分別對各回路重復性熱電勢進行計算，將K型、E型、K-E型計算溫度與S型標準熱電偶溫度值對比，在50～800 ℃范圍內，試驗件A/B均滿足Ⅰ級熱電偶測溫精度標準。試驗件A/B在50～500 ℃范圍內E型回路測量精度為0.15%，高于K型回路的0.24%，在500～800 ℃范圍內E型回路測量精度為0.4%，低于K型回路的0.32%。共極三電偶比單一分度熱電偶測溫范圍寬，同時兼容了兩種熱電偶在不同溫度段的高精度優勢，體現出了共極三電偶測溫范圍寬，精度高的特點。

圖7 試驗件A/B數據處理多項式

試驗件C/D中E+_E-回路和E+_T-回路直接采用試驗件A/B中E型多項式進行數據處理，得到結果與S型標準熱電偶進行對比，試驗件C/D均滿足Ⅰ級熱電偶測溫精度標準。其中T+_T-回路、T+_E-回路和E+_T+非標準回路采用同樣的數據處理方式，分別建立T型、E-T型熱電偶熱電勢與溫度關系式，如圖8所示。在50～550 ℃范圍內，試驗件C/D中T型和E-T型測量精度均滿足Ⅰ級熱電偶的精度標準。

圖8 試驗件C/D數據處理多項式

試驗件E/F中標準回路直接采用試驗件A/B中K型多項式進行數據處理，得到的計算溫度與S型標準熱電偶溫度值進行對比，測量精度均滿足Ⅰ級熱電偶的精度標準。

4 共極三電偶探針動態特性測試結果

選取試驗件B/C/F在連續吹風狀態下加熱至測試溫度，獲取各校準Ma數下熱電偶階躍特性響應曲線，在曲線上找出起始溫度T0、時間t0、終止溫度T和階躍溫度的63.2%所對應的時間t，即可求得熱電偶時間常數τ值，試驗件F在Ma=0.5工況下熱響應特性曲線見圖9，探針時間常數τ測試結果如表4所示。

圖9 試驗件F熱響應特性曲線

表4 探針時間常數τ測試結果s

對于同一探針，在相同的初始溫度和階躍溫度情況下，Ma越高，其時間常數τ越小。在同一試驗工況下，試驗件B/C/F自身兩回路的時間常數τ隨Ma變化趨勢一致、結果相近。試驗件B中E型與試驗件C中E型對比發現，試驗件C的時間常數均小于B，原因是試驗件C的球形熱接點比熱遠小于B，在相同換熱條件下，熱電偶熱容量大則時間常數τ大。在試驗Ma=0.3工況下，試驗件F 中K2+_K-在相同的初始溫度下溫度階躍300 ℃、600 ℃時，其時間常數τ分別為0.6 s、0.62 s，在一定溫度范圍內，熱電偶時間常數τ受溫度的影響較小。共極三電偶探針時間常數τ測試結果均小于1.5 s，滿足航空發動機溫度測試指標不大于4.5 s的要求。

5 結束語

通過對共極三電偶探針測試試驗獲得的數據進行分析，得到以下結論：

1）從總體情況看，探針構成的各測量回路熱電特性均表現出良好的線性度，且表現出較好的重復性，具備工程應用前提條件。

2）探針3組測量回路之間存在相互關系，即在某一溫度下，其中一測量回路的熱電勢值（最大熱電勢值）等于其他兩回路熱電勢值之和。該特性可用于回路間對測量有效性的相互判斷。

3）探針各回路的誤差比較穩定，利用各回路熱電勢與溫度的多個關系多項式處理后，測量精度均滿足Ⅰ級熱電偶的精度標準；探針在馬赫數0.1～0.6工況下的時間常數τ測試結果均小于1.5 s；共極三電偶探針的靜態測試和動態測試結果均達到航空發動機溫度穩態測試指標。

4）共極三電偶比單一分度熱電偶測溫范圍寬，并兼容了兩種熱電偶在不同溫度段的高精度優勢，對同一測點可同時輸出3個溫度值，體現出了共極三電偶測溫范圍寬、精度高、多裕度的特點, 非常適用于航空發動機工況惡劣截面的溫度測試。

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