航空發(fā)動機燃燒室出口高溫熱電偶校準

摘要:目前，雖然有眾多的方法測量燃燒室出口燃氣溫度，但熱電偶以其造價低、使用方便和數(shù)據(jù)錄取快捷等特點，在燃燒室出口溫度場測量中被廣泛采用。然而，由于熱電偶接點與周圍環(huán)境進行導熱、對流與輻射換熱，熱電偶測溫存在輻射誤差與導熱誤差(合稱為換熱誤差)。換熱誤差易受到周圍環(huán)境、電偶材料、電偶型式等因素的影響。因此，在航空發(fā)動機燃燒室的基礎上，研究其出口位置高溫熱電偶校準技術，減少誤差。
　　熱電偶是基于賽貝克效應的測溫元件，由于其具有測量精度高、熱響應時間快、測量范圍大、性能可靠等特點，是航空發(fā)動機中最常用的溫度傳感器之一。熱電偶在使用過程中易受到環(huán)境影響，其熱電特性會發(fā)生變化，故為了保證測溫的準確性，必須根據(jù)國家檢定規(guī)程和校準規(guī)范定期檢定熱電偶，依此判定被檢熱電偶是否可以繼續(xù)使用。
1熱電偶有關概念
1.1熱電偶概念
　　熱電偶是將2種不同材料的金屬焊接在一起，當參考端和測量端有溫差時，就會產(chǎn)生電動勢，根據(jù)該電動勢與溫度的單值關系可以得到測量端溫度。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單，響應快，適宜遠距離測量和自動控制的特點，應用比較廣泛。在理想狀態(tài)下，熱電偶的理論誤差<0.5%,但在實際測量中，其測量精度還受到燃燒室內(nèi)氣流和邊界條件以及熱電偶結(jié)構(gòu)等因素的影響，實際誤差遠高于0.5%。由于熱電偶接點與周圍環(huán)境進行導熱、對流與輻射換熱，熱電偶測溫存在輻射誤差與導熱誤差(合稱為換熱誤差)。這些誤差很難定量,使得修正熱電偶的測量溫度極為困難。
1.2熱電偶工作原理
　　由兩種不同金屬或合金A、B組成，如圖1左圖的閉合回路，是最簡單的熱電偶回路，這兩種不同金屬或合金的組合就稱為熱電偶。.
 
　　實際測溫中的熱電偶回路如圖1右圖所示，A、B稱為熱電極，它們的一端通常焊接在一起形成接點，稱為測量端(工作端或熱端)，而另一端稱為參考端(自由端或冷端)。測溫時，將熱電偶的測量端置于被測溫場中，其參考端恒定在某一溫度下(通常為0℃)，然后通過連接導線與測量儀表相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶回路中就有電動勢產(chǎn)生。用測量儀表測得電動勢的數(shù)值后，便可間接知道相應的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度。
2熱電偶校準技術
2.1穩(wěn)態(tài)校準
　　是采用聚焦到3.5μm點的激光東使兩個結(jié)之間產(chǎn)生溫差。當激光束對傳感器掃描時，將鎳電阻傳感器的響應與熱電偶的響應進行比較，就可獲得熱電偶結(jié)的靈敏度。由于熱電偶結(jié)采用作為標準的電阻傳感器校準，因而校準方法與所吸收的激光功率及夾層介質(zhì)的熱性質(zhì)無關。
　　穩(wěn)態(tài)校準分兩步完成。在第一步中，被校準的鎳條(WZ=90μm)用作電阻溫度傳感器。這將元件暴露千加熱室的不同溫度之中就能實現(xiàn)。測得室溫電阻為600，靈敏度為0.24Ω/℃。為了確保鉭/金/鉭引線電阻確實可忽略不計,.測量了自由寬度W2=60μm的第二個鎳條的靈敏度，測得第二個鎳條電阻為40Ω，靈敏度為0.16Ω/℃.具有W2的線性刻度說明引線的影響可以忽略。
2.2靜態(tài)校準
　　在溫度的測量過程中，用熱電偶測出的實際上是熱電勢,而并非溫度值本身，所以必須知道每-種熱電偶的熱電勢與溫度之間的對應關系，才能最終得到需要的溫度值，而且不同材料組成的熱電偶其熱電勢與溫度之間的關系又是不同的，因此對于那些非標準的熱電偶在使用前就必須進行靜態(tài)校準。熱電偶的靜態(tài)校準，就是將熱電偶置于若干溫度下測量其熱電勢，并確定熱電勢與溫度的對應關系。
2.3動態(tài)校準
　　熱電偶的動態(tài)校準不論在國內(nèi)還是在國外都尚處于發(fā)展階段，沒有相應的標準出臺，很多研究工作都是探索性的，并且大多僅是為了直接獲取熱電偶的時間常數(shù)，熱電偶的時間常數(shù)定義為:假定對這種傳感器的熱接點施加一個階躍變化的溫度，傳感器的輸出與初始溫度差達到整個溫度階躍的63.2%時，所經(jīng)歷的時間。熱電偶時間常數(shù)的獲取方法，一般是按輸.入為階躍信號對其進行動態(tài)校準實驗，從輸出響應曲線上直接獲取。在產(chǎn)生用于動態(tài)校準的階躍溫度信號的方法上，由于激光加熱易于控制的優(yōu)點,隨著激光技術的發(fā)展,激光加熱將成為一種趨勢，然而其研究還很不完善，沒有形成統(tǒng)一的標準，所以，目前產(chǎn)生階躍溫度信號的主要方法仍然為:熱風洞法、瞬時電加熱法和激波管法，此處不做詳細闡述。
2.4使用高溫熱電偶校準裝置
　　在校準時，以標準光電高溫計為標準，通過爐體上的黑體輻射腔使光電高溫計測量爐體中心區(qū)的溫度，黑體輻射腔的末端與被檢熱電偶的感溫端在同一平面，二者溫度值相同，利用比較法得到熱電偶的示值誤差。高溫熱電偶通過低熱電勢掃描開關連接到數(shù)字電壓表進行測試，通過串口由上位機實時讀取熱電偶的電勢值，同時上位機也采集光電高溫計的實時標準溫度，通過軟件換算比對得到被檢熱電偶的示值誤差或修正值。
3結(jié)束語
　　傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一，其水平的高低是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志。溫度傳感器作為傳感器的重要分支，被廣泛地用于正確測量和自動控制等領域，為了能夠滿足實時在線、快速和準確的溫度測量，對溫度傳感器進行動態(tài)校準顯得越來越重要。闡述了幾點熱電偶校準技術，以供參考。