共极三电偶探针测温特性分析与研究

沙朋朋， 郭道勇， 石小江， 林兴梅

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川 绵阳 621000)

0 引 言

随着航空科技的高速发展，尤其是火箭和航空发动机的发展，温度的快速、准确测量技术愈加重要[1]。热电偶是目前各国在航空发动机进行温度测量时应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它具有结构简单、制作方便、准确度高、热惯性小等优点，既可以用于静态环境温度测量，也可以用于动态环境温度测量[2]。

航空发动机内部气流温度场分布测量主要采用固定式干涉温度探针来测量，探针根据发动机试验需求设计测点。若同一点温度变化跨越了某类电偶（如T型）的测量范围，需布设多种热电偶结构，且布设到空间同一位置难度较大，因此提出共极性热电偶，解决试验中宽范围、高精度，同一点温度的可靠性测量[3]。共极三电偶概念的提出：共极三电偶是指将两个有同材料极的不同电偶组合在一起，能够测量同一点处温度的组合电偶。共极三电偶原理图如图1所示，通过共极后形成3个回路，A-C回路，B-C回路和A-B回路，图中e(T,TO)表示温差电势，e(ABBCAC)(T)表示接触电势。

图1 共极三电偶原理图

由热电偶测温原理[4]可知，热电偶测温时存在的延迟与滞后特性会导致热电偶测温存在静态误差和动态误差[5]。其中，静态误差是指被测介质温度保持不变，在热电偶与被测介质达到动态热平衡时，由于测温系统导热、辐射等因素的影响，从而造成热电偶热端温度低于实际的被测温度；动态误差是指当被测介质温度变化时，由于热电偶存在热惯性，导致其响应速度慢，不能及时反应出被测介质的实际温度。本文针对共极三电偶探针开展静态特性和动态特性研究。

1 共极三电偶探针设计

1.1 共极三电偶组合方式

标准化廉金属热电偶KP和EP都称为镍铬，名义化学成分均为Ni90Cr10；热电偶TN和EN都称为铜镍，名义化学成分均为Cu55Ni45，以及少量锰、钴、铁等[6]。KP与EP、EN与TN名义化学成分无差异，理论上可进行热电偶互换。以K-E组合为例，K分度和E分度都以镍铬为正极，镍铬是该类组合的共用极。采用K分度热电偶正极为共用正极的定义为K+，形成的测量回路分别是：K+_K-、K+_E-和K-_E-，如图2所示；采用E分度热电偶正极为共用极的定义为E+，形成的测量回路分别是：E+_K-、E+_E-和K-_E-，如图3所示。分别以镍铬、铜镍作为共极，形成共极三电偶组合方式有4种，其他组合形式的定义方式与此相同。

图2 共用KP组合示意图

图3 共用EP组合示意图

为排除热电偶材料成分差异的影响，进一步研究共极三电偶的热电特性线性度、重复性和测量精度，分别以K分度的镍铬、镍硅为共用极，形成两种共极三电偶组合方式。共极三电偶组合详细信息见表1。

1.2 共极三电偶探针结构设计

Yule等[7]指出确定热流场中的热传导速率对动态温度的准确测量有重要意义，为减小导热误差对探针测试精度的影响，结合探针应用环境和电偶热接点的机械稳定性要求，将探针偶丝长度/偶丝直径（L/D）比设计为9[8]，同时忽略辐射误差和速度误差对测试结果的影响，共极三电偶探针测量端设计成裸露的“一”字型结构，与常规标准探针测量端对比图如图4所示。

共极三电偶探针用偶丝型号为K型、E型、T型，偶丝直径均为0.5 mm，偶丝准确度等级均为Ⅰ级，热接点为球形焊接，接点直径约为1.2 mm。探针支杆为φ6 mm×1 mm的不锈钢管，支杆内部热电偶通过四孔瓷管和单孔瓷管互相绝缘，支杆内部后端灌封105-A耐高温无机胶黏剂和DG-4环氧胶黏剂进行固定密封。共极三电偶探针生产完成后，对探针进行电偶通断性与绝缘性检测，结果均满足设计技术要求[9]。

表1 共极三电偶组合方式表

图4 探针测量端对比图

2 共极三电偶探针测试方法

2.1 静态特性测试方法

本次共极三电偶探针测试试验内容主要包括探针热电特性测试、热电特性稳定性、可重复性的试验验证。根据热电偶推荐使用温度范围，确定各分度偶丝直径为0.5 mm的长期使用最高温度[10]，该温度作为共极三电偶探针测试温度上限，具体测试温度点见表2。

表2 共极三电偶探针测试温度点

共极三电偶探针采用双极比较法进行测试试验[11]，要求每个测试温度点的测量次数不应少于4次，重复试验的每步数据记录次数不少于3次。在共极三电偶探针进行测试试验之前，将探针各电极与普通铜导线焊接，并确定其无虚焊现象，形成热电偶的参考端（即冷端）。250 ℃以下采用恒温油槽测试方式，主要使用二等标准铂电阻温度计恒温油槽、堆栈式测温仪等设备。250 ℃以上采用热工仪表自动检定系统，主要设备包含一等铂铑10-铂热电偶、热电偶检定炉、数字多用表等。恒温油槽和热电偶检定炉在有效工作区域内温差均小于±1 ℃。

2.2 动态特性测试方法

航空发动机整机及部件常规测试中，大部分测量截面马赫数Ma≤ 0.6，因此将试验件分别置于Ma为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6工况下进行动态特性测试。共极三电偶探针采用激光法测量热响应时间常数[12-14]，设备简图如图5所示。试验系统利用高功率可调频的CO2激光器对热电偶感温探头进行加热，同时利用亚音速常温风洞调节吹风工况，当接点温度达到指定稳定温升值时立即关闭激光器，形成负的温度阶跃，在此过程中动态数据采集系统连续采集数据，记录下热电偶动态响应特性曲线，之后进行数据处理获得动态响应特性表征参数中的热响应时间常数[15]。本系统阶跃温度达到1200 ℃时，阶跃延迟时间<0.1 ms，近似于理想阶跃延迟时间。

3 共极三电偶探针静态特性测试结果

3.1 探针各回路热电特性分析

通过探针测试试验，获取了测试温度下各回路的测量电势。选取测试探针中K-E型组合试验件A/B第1轮试验数据如表3所示。

对探针各回路热电特性数据分析可以得出：共极三电偶探针3条回路中，在某温度点的热电势，最大者是其他两回路热电势之和。以试验件A为例，温度为T时，EK+_E-=EK+_K-+EK-_E-；对于共极材料为自身电偶正极的试验件E，温度为T时，第3条回路的热电势达到万分位，忽略不计；各个回路的热电特性均有较好的线性度，重复性比较理想，热电特性稳定。直径为0.5 mm的T型热电偶的测温上限为250 ℃，但历经3轮重复性标定试验后，测点完好，说明探针测量端可靠性得到提高。

图5 试验系统简图

3.2 探针各回路测量精度分析

以试验件A/B为例，K-E型组合中K+_K-回路和E+_K-回路直接采用K型热电偶分度表处理数据，E+_K-回路和E+_E-回路直接采用E型热电偶分度表处理数据，并分别与S型标准热电偶进行对比，绘制温度与测量精度百分比曲线图，如图6所示。试验件C/D/E/F数据处理方式相同。

试验件A/B中K型回路的测试精度比试验件E/F两回路测试精度偏低，用EP代替KP，对探针测试精度产生影响。

试验件A/B/E/F各回路的误差比较稳定，虽然部分温度点超出Ⅰ级热电偶0～400 ℃范围内测温不确定度为±1.5 ℃的准确度标准，但可以满足Ⅱ级热电偶测温不确定度为±0.7%的准确度标准，可以直接利用现有的分度表将热电势转换为温度值。

试验件C/D标准回路的误差较大，不适合直接利用现有的E型和T型分度表处理数据，可利用本次测试数据得出热电势与温度的关系多项式，即E+_E-回路和E+_T-回路需采用E型热电偶多项式处理数据，T+_T-回路和T+_E-回路需采用T型热电偶多项式处理数据，届时探针将提高至Ⅰ级热电偶的精度标准。

表3 K-E型（试验件A/B）试验数据

图6 共极三电偶探针各温度点下的测试精度

3.3 数据处理

以试验件A/B为例，分别建立K+_K-回路和E+_K-回路的热电势与S型标准热电偶温度值的多项式关系。因热电偶在不同温度下的赛贝克系数不同，所以K型热电偶建立5个分温度段多项式，如图7所示。同理可知，分别建立E+_K-回路和E+_E-回路的E型热电偶热电势与温度关系式、K-_E-非标准回路的K-E型热电偶热电势与温度关系式。

利用试验件A/B数据处理多项式分别对各回路重复性热电势进行计算，将K型、E型、K-E型计算温度与S型标准热电偶温度值对比，在50～800 ℃范围内，试验件A/B均满足Ⅰ级热电偶测温精度标准。试验件A/B在50～500 ℃范围内E型回路测量精度为0.15%，高于K型回路的0.24%，在500～800 ℃范围内E型回路测量精度为0.4%，低于K型回路的0.32%。共极三电偶比单一分度热电偶测温范围宽，同时兼容了两种热电偶在不同温度段的高精度优势，体现出了共极三电偶测温范围宽，精度高的特点。

图7 试验件A/B数据处理多项式

试验件C/D中E+_E-回路和E+_T-回路直接采用试验件A/B中E型多项式进行数据处理，得到结果与S型标准热电偶进行对比，试验件C/D均满足Ⅰ级热电偶测温精度标准。其中T+_T-回路、T+_E-回路和E+_T+非标准回路采用同样的数据处理方式，分别建立T型、E-T型热电偶热电势与温度关系式，如图8所示。在50～550 ℃范围内，试验件C/D中T型和E-T型测量精度均满足Ⅰ级热电偶的精度标准。

图8 试验件C/D数据处理多项式

试验件E/F中标准回路直接采用试验件A/B中K型多项式进行数据处理，得到的计算温度与S型标准热电偶温度值进行对比，测量精度均满足Ⅰ级热电偶的精度标准。

4 共极三电偶探针动态特性测试结果

选取试验件B/C/F在连续吹风状态下加热至测试温度，获取各校准Ma数下热电偶阶跃特性响应曲线，在曲线上找出起始温度T0、时间t0、终止温度T和阶跃温度的63.2%所对应的时间t，即可求得热电偶时间常数τ值，试验件F在Ma=0.5工况下热响应特性曲线见图9，探针时间常数τ测试结果如表4所示。

图9 试验件F热响应特性曲线

表4 探针时间常数τ测试结果s

对于同一探针，在相同的初始温度和阶跃温度情况下，Ma越高，其时间常数τ越小。在同一试验工况下，试验件B/C/F自身两回路的时间常数τ随Ma变化趋势一致、结果相近。试验件B中E型与试验件C中E型对比发现，试验件C的时间常数均小于B，原因是试验件C的球形热接点比热远小于B，在相同换热条件下，热电偶热容量大则时间常数τ大。在试验Ma=0.3工况下，试验件F 中K2+_K-在相同的初始温度下温度阶跃300 ℃、600 ℃时，其时间常数τ分别为0.6 s、0.62 s，在一定温度范围内，热电偶时间常数τ受温度的影响较小。共极三电偶探针时间常数τ测试结果均小于1.5 s，满足航空发动机温度测试指标不大于4.5 s的要求。

5 结束语

通过对共极三电偶探针测试试验获得的数据进行分析，得到以下结论：

1）从总体情况看，探针构成的各测量回路热电特性均表现出良好的线性度，且表现出较好的重复性，具备工程应用前提条件。

2）探针3组测量回路之间存在相互关系，即在某一温度下，其中一测量回路的热电势值（最大热电势值）等于其他两回路热电势值之和。该特性可用于回路间对测量有效性的相互判断。

3）探针各回路的误差比较稳定，利用各回路热电势与温度的多个关系多项式处理后，测量精度均满足Ⅰ级热电偶的精度标准；探针在马赫数0.1～0.6工况下的时间常数τ测试结果均小于1.5 s；共极三电偶探针的静态测试和动态测试结果均达到航空发动机温度稳态测试指标。

4）共极三电偶比单一分度热电偶测温范围宽，并兼容了两种热电偶在不同温度段的高精度优势，对同一测点可同时输出3个温度值，体现出了共极三电偶测温范围宽、精度高、多裕度的特点, 非常适用于航空发动机工况恶劣截面的温度测试。

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