航空發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、使用方便和數據錄取快捷等特點，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境、電偶材料、電偶型式等因素的影響。因此，在航空發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境影響，其熱電特性會發生變化，故為了保證測溫的準確性，必須根據國家檢定規程和校準規范定期檢定熱電偶，依此判定被檢熱電偶是否可以繼續使用。
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，就會產生電動勢，根據該電動勢與溫度的單值關系可以得到測量端溫度。熱電偶具有結構簡單，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氣流和邊界條件以及熱電偶結構等因素的影響，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生。用測量儀表測得電動勢的數值后，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穩態校準
　　是采用聚焦到3.5μm點的激光東使兩個結之間產生溫差。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，就可獲得熱電偶結的靈敏度。由于熱電偶結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的熱性質無關。
　　穩態校準分兩步完成。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。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校準。熱電偶的靜態校準，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動態校準
　　熱電偶的動態校準不論在國內還是在國外都尚處于發展階段，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，熱電偶的時間常數定義為: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，所經歷的時間。熱電偶時間常數的獲取方法，一般是按輸.入為階躍信號對其進行動態校準實驗，從輸出響應曲線上直接獲取。在產生用于動態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點,隨著激光技術的發展,激光加熱將成為一種趨勢，然而其研究還很不完善，沒有形成統一的標準，所以，目前產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結束語
　　傳感器技術是現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。