非標高溫熱電偶影響測量精度因素

摘要:本文對幾種常用非標準化高溫熱電偶在測溫過程中影響測量精度的各種因素，對提高測溫精度提出了幾點建議。
0引言
　　航空航天技術的飛速發(fā)展，飛機性能的不斷提高,要求航空發(fā)動機的性能也要不斷提高，其手段之一就是提高渦輪前燃氣溫度。世界上現(xiàn)役的軍用飛機發(fā)動機的渦輪前燃氣溫度約為1500~1600℃，這個溫度還在不斷提高。
　　用于噴氣發(fā)動機溫度測量和控制的熱電偶要求能在更高的溫度范圍可靠地工作，這些熱電偶要經受氫氣、碳化氫、空氣以及發(fā)動機中產生的非平衡化學反應產物的影響。為了有效地測量和控制溫度，要求熱電偶反應迅速靈敏，穩(wěn)定可靠，大量的非標準化熱電偶得到迅速發(fā)展以滿足某些特殊測溫要求。
1非標準化高溫熱電偶簡介
　　目前，常見的非標準化高溫熱電偶有以下幾類:鉑銠系列:鉑銠40-鉑銠20熱電偶(可以達到1850℃溫度范圍，在特殊情況下甚至可以達到1880℃)。鉑銠系列:鉑銠60-鉑熱電偶(最高使用溫度可達2100℃)?？捎糜谡婵?、惰性氣體或稍有氧化性的氣氛中，多用于宇航火箭技術中的測溫工作。鎢錸系列:鎢錸5-鎢錸20熱電偶可以測到2400~2800℃的高溫，短時達3000℃,但它在高溫下易氧化，只能用于真空或還原性、惰性氣氛中。在某些發(fā)動機設計單位，鉑銠40-鉑銠20熱電偶以及鉑銠熱電偶已經在氣流高溫傳感器的研制中開始應用。
2影響測量精度的因素
　　在使用這些非標準化熱電偶測量高溫氣流過程中，影響測量精度的因素很多，其中包括:靜態(tài)標定、參考端溫度、催化效應、導熱、輻射換熱、氣流速度等等，本文主要分析以下三種影響因素:靜態(tài)標定、參考端溫度、催化效應。
2.1靜態(tài)標定
　　當熱電偶的靜態(tài)標定溫度超過1500℃時，標定所用的高溫溫場大多由鎢管爐或高溫黑體爐提供，標準器則采用標準光電高溫計或標準的輻射溫度計。由于鉑銠系列和鎢錸系列熱電偶需要用在惰性氣氛中，所以需要充人氬氣并維持--定的壓力或流量以保證惰性氣氛。
　　在升溫或降溫的過程中不斷地充放氣，會破壞高溫爐內的溫場，加劇溫場的波動，從而擴大了測溫結果的擴展不確定度，測溫的精度也受到很大影響。
　　除了溫場波動對最終測溫精度的影響，高溫爐上所用的觀察窗對測溫準確度的影響也不容忽視。常用的窗口材料為石英玻璃，波長范圍一般是0.23~4.5um,由于標準光電高溫計工作波長為0.66μm,，所以在不同溫度下石英玻璃對溫度的衰減也不同，通過在標準溫度燈上對同一批次三片不同的石英玻璃片進行標定，可以看出隨著溫度的升高，石英玻璃窗的溫度衰減越嚴重，標定數據如表1所示，石英玻璃觀察窗溫度衰減特性圖如圖1所示。
 
　　另外，值得注意的是，幾乎所有的金屬熱電偶在1500℃以上都會和碳起反應，所以金屬熱電偶高溫下的標定或測溫都不能在含碳氣氛下進行，高溫爐發(fā)熱材料的選擇也要避開含碳的材料。
2.2參考端溫度
　　雖然鉑銠40-鉑銠20熱電偶在1550~1880℃之間的微分電勢是個常數，線性度很好，但是鉑銠40-鉑銠20熱電偶在常溫下有一定的熱電勢，并且微分電勢很小，所以參考端溫度的測量精度大大降低。測量高溫氣流的溫度的工況條件比較惡劣，不可能使用冰瓶進行冷端補償。測溫時熱電偶長度受到一定限制，參考端溫度直接受到被測介質溫度和周圍環(huán)境的影響,不僅很難保持在0℃，而且經常是波動的。比如測量噴氣發(fā)動機排氣溫度時，由于熱電偶很短，參考端緊靠發(fā)動機排氣簡外殼附近，參考端溫度就是波動的。所以無論是鉑銠系列還是鉑銠系列，熱電偶參考端的溫度不等于0℃時，對被測溫度的正確率有著十分重要的影響。如果參考端溫度是變化的，那么引入的測量不確定度也是一個變量，對測溫的精度影響也更加復雜。
2.3催化效應，
　　鉑銠金屬及其合金是著名的催化劑材料。用這些材料制成的鉑銠、鉑銠系列的熱電偶測量燃氣溫度時，在某些情況下當燃氣和偶絲接觸時，由于鉑族金屬的催化作用，能使氫-空氣、一氧化碳-空氣、甲烷-空氣、丙烷-空氣、丁烷-空氣等可燃混合氣體的氧化反應加速。使熱電偶測得的溫度比氣流真實溫度高，從而使測量結果產生系統(tǒng)誤差。
　　催化溫升的數值一般不具有重復性，所以很難用修正的方法來消除催化效應引起的誤差。影響催化效應的主要是燃氣溫度和氣流速度，在一定的溫度范圍內溫度越高催化效應就越明顯。氣流速度越高，催化溫升也越高。為此，在1700℃熱校準風洞上對設計好的鉑銠、鉑銠40-鉑銠20雙屏偶進行性能考察，將其與原有的B型參考溫度傳感器進行比對研究，分析其在不同溫度、不同速度、不同抽氣壓力、偶絲表面是否鍍膜的測溫偏差，試驗結果如表2~3所示。各表中，Ma為氣流馬赫數;Ps為抽氣壓力;I,為參考溫度(原參考溫度傳感器指示溫度);Po為總壓;pat為大氣壓;p.為靜壓;t0為被測溫度(高溫雙屏偶指示溫度);△t為測溫偏差。
 
 
　　鉑銠雙屏偶與鉑銠40-鉑銠20雙屏偶比參考溫度傳感器指示溫度高是不正常的。分析原因，可能是由，于鉑銠雙屏偶與鉑銠40-鉑銠20雙屏偶是新偶，貴金屬本身存在催化效應，致使指示溫度偏高，可將新偶表面鍍膜，然后再與參考溫度傳感器(舊偶)進行比對試驗。將銥銠雙屏偶、鉑銠40-鉑銠20雙屏偶的外屏、內屏以及偶絲表面進行鍍膜處理后，其測溫偏差試驗結果如表4~5所示。表中，△tr為相對測溫偏差。
　　由表4~5可以看出，鍍膜后高溫雙屏偶的測溫偏差有大幅度減小，說明新偶存在催化效應的分析是正確的。
 
3提高測量精度的措施
　　根據以上影響因素的分析，可以通過以下措施提高非標準化熱電偶的測量精度:
1)增強熱電偶標定裝置中高溫爐的密封性，減少充放氣的次數，從而減小溫場的波動;
2)將石英玻璃觀察窗進行標定，修正石英玻璃窗對溫度的衰減;
3)熱電偶的參考端可以固定在恒溫器內，能使參考端的溫度相對恒定，也可以減小參考端溫度波動對測溫的影響;
4)增加熱電偶的長度，減小參考端溫度受到的被測介質溫度和周圍環(huán)境的影響;
5)在使用工況完全確定的情況下，在熱電偶絲表面上鍍氧化鋁涂層，涂層不僅是在偶絲接點處，而是布及整個處于燃氣流中的貴金屬偶絲，以減小催化效應的影響。