液氧煤油发动机试验液氧温度测量研究

薛 宁，刘 正

（西安航天动力研究所，西安，710100）

0 引言

液氧煤油发动机试验中，流量数据与发动机的比冲、混合比等性能参数密切相关，是试验过程必须获得的关键参数之一[1]。为了获得发动机启动及关机等过渡段的流量特性，测量的方法是使用涡轮流量计测量推进剂的体积流量，根据温度、压力与推进剂密度的关系换算密度，最终得到推进剂质量流量。

在实际使用过程中，由于涡轮流量计实验室校验环境与试验现场安装使用环境截然不同，校验介质与试验用真实介质在密度、粘度等物理性能上也存在差异，采用水校验系数处理推进剂流量数据，会产生一定误差[2]。为了消除实验室与试验环境两者间的差异，提供真实可信的试验数据，需要建立现场校准系统，使用真实介质对涡轮流量计进行原位校准。现场原位校准依据质量守恒原理进行，即从容器中流出的推进剂质量流量与流经涡轮流量计的质量流量相等。在试验现场，根据推进剂类型的不同，考虑其理化性能的差异，采用不同的测量设备作为校准基准。液氧作为一种低温推进剂，流量准确测量是一个难点，为此，采用高精度分节式电容液位计[1,3,4]作为校准基准。

涡轮流量计和分节式电容液位计均为体积型流量测量装置，为了获得液氧质量流量，必须测量液氧容器内和液氧主管路内的介质温度。目前，主管路采用铂电阻温度传感器进行温度测量。液氧容器中安装由铜-康铜热电偶传感器组成的分层温度测量装置，并对参考点进行恒温处理，保证了液氧温度测量准确性。由于热电偶传感器自身测量准确性限制，在当地大气压下，容器中的液氧温度测量值和理论值相比，还是存在一定差异，会导致液氧密度测量值出现偏差，进而影响原位校准系数的准确性，影响液氧流量数据。因此，采用高精度的温度传感器，搭建液氧容器中低温温度测量系统，对液氧容器中的温度进行测量，可降低温度测量误差，达到提高密度测量准确性，进一步提高液氧流量测量准确性的目的。

1 温度传感器的选择

1.1 低温温度传感器的选择

国内外根据温度测量对象和技术要求的不同，使用不同类型的温度传感器，其测温原理、测温范围及测量精度各不相同。

可用于低温测量的传感器有多种类型，常用的传感器主要包括铜-康铜（T形）热电偶、铂电阻传感器以及热敏电阻传感器。热电偶传感器是利用塞贝克效应制成的，其温度测量是相对测量，即与某一参考点进行温度对比得到测量数据。由于受冷端补偿误差、分度误差以及动态误差等因素的影响，其测量精度为±1.5℃。铂电阻作为一种热电阻，具有电阻值随温度变化的性质，常采用外供恒流激励，将电阻变化转换为电压变化的方式测量温度值，以常用的Pt100型铂电阻为例，液氧温区内，其测量精度为±0.51℃，电阻值小于26 Ω。在发动机试验测量过程中，从传感器至采集设备之间的传输电缆一般长达上百米，过长的导线，即使不计热噪电阻，并通过三线制或四线制测量方法消除连线电阻对测量精度的影响其导线电阻影响也无法忽略，对测量准确性有一定的影响。热敏电阻[5,6]也是一种热电阻，测量精度为±0.3℃，且其电阻值一般为几十千欧，因此可以忽略线路电阻的影响。为此，选择热敏电阻传感器搭建低温温度测量系统，对液氧低温温度进行测量。

1.2 热敏电阻传感器的特点

热敏电阻是一种热电阻，分为负温度系数、正温度系数、临界温度系数3种。其中，负温度系数热敏电阻主要是Mn、Co、Ni和Fe等过渡金属氧化物的复合烧结体，通过不同材料的组合，对电阻值和温度特性进行调整，其电阻测量范围宽，可用来进行温度测量。

负温度系数型热敏电阻具有灵敏度高、元件尺寸小、响应速度快、电阻率大、热惯性小、耐腐蚀和结构简单、电阻随温度变化能力强、并能测细小温度变化的特点。其电阻-温度特性符合负指数规律，其关系式为

式中TR为热敏电阻在绝对温度T时的阻值，kΩ；0TR为热敏电阻在绝对温度T0时的阻值，kΩ；T，0T分别为介质的起始温度和变化温度，K；t，0t分别为介质的起始温度和变化温度，℃；B为热敏电阻材料常数，一般为2000～6000。B值越大，传感器灵敏度越高。

2 热敏电阻低温温度测量系统的建立

2.1 液氧分层温度测量装置的设计

为了保持温度测量数据的一致性与可追溯性，并对测量效果进行评估，选用多只检定合格的热敏电阻传感器，安装位置与原安装的铜-康铜热电偶传感器保持一致。此外，结合热敏电阻传感器自身特性和封装，重新设计和加工热敏电阻传感器安装接口，确定了密封形式。

根据传感器安装位置，确定传感器外引线长度，对热敏电阻传感器采用四线制方式进行处理，即每一只传感器两端分别引出两根颜色不同的引线，分别对应激励电源正端、激励电源负端、信号正端以及信号负端。其中，激励电源正端、信号正端引线由同一端引出，激励电源负端、信号负端由另一端引出，对接点进行处理，保证接点间绝缘良好，避免出现短路现象。外引线制作完成后，对封装完成后的热敏电阻传感器进行液氧低温试验，测量热敏电阻传感器在低温环境下的阻值，确认传感器引线的绝缘、温度特性。

2.2 热敏电阻的测温机理

负温度系数型热敏电阻具有负的电阻温度系数，即其电阻值随着温度的升高而减小。这是因为热敏电阻的导电性能主要是由其内部的载流子（电子或空穴）的密度和迁移率决定。当温度升高时，由于热激发，将使载流子的密度大大增加，从而导致负温度系数型热敏电阻的电阻值急剧下降。这种热性能就是热敏电阻能进行温度测量的机理。

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2.3 热敏电阻温度测量方法

由于热敏电阻具有较大的非线性特性，一般需要线性化处理，使输出电压与温度接近线性关系。热敏电阻线性化电路较多[5]，根据采集设备工作原理及配置，选用提供恒流激励的方法对热敏电阻进行处理。热敏电阻元件为两线制，采用恒流激励的测量方法，对原件进行四线制处理，即两端各引出两根引线，一组引线作为恒流激励源的输入端，另一组作为热敏电阻信号输出端。热敏电阻阻值与输出的对应关系如下：

式中 V测为热敏电阻输出电压值，mV；I为热敏电阻流经电流，mA；RT热敏电阻在某温度下的阻值，kΩ。

2.4 恒流激励源的设计

使用数据采集系统配置的热电阻测量模块进行热敏电阻温度测量，采集模块A/D为16位，输入电压范围为±10 V，恒流源范围为0.5～2.0 mA，激励程控可调。

在液氧温区热敏电阻阻值在30 kΩ左右，通过计算，流经热敏电阻的电流不能大于33µA，采用分压电阻和分流电阻对恒流源进行处理，达到热敏电阻输出值不超过测量量程，且热敏电阻不会发热。

利用采集模块提供恒流激励，分流电阻和分压电阻分别选取精密电阻，接线过程如图1所示。

图1 恒流激励电源接线示意Fig.1 Schematic Wiring Diagram of Constant Current Excitation Power Supply

热敏电阻采集设备转接电缆端使用电气连接器连接，其1、2点分别为恒流源正、负端，3、4点为信号输入正、负端。

热敏电阻两端采集电压值为

式中 R1为分流电阻，kΩ；R2为分压电阻，kΩ。

3 热敏电阻传感器的校验及数据处理方法

3.1 热敏电阻传感器分度表的确定

热敏电阻主要是Mn、Co、Ni和Fe等过渡金属氧化物复合烧结体，由于受加工工艺的影响，热敏电阻传感器存在一致性较差的缺陷，因而每一只热敏电阻传感器需单独分度，具有不同的分度表。

为了能准确地从每一只传感器的分度表、送校热敏电阻传感器中获得液氧温区、液氮温区的电阻值，根据式（1）获得每一只传感器的B值，然后再以液氧温区的阻值为基准，获得其它温度点的电阻值。温度步进长度可以自行选择，由于热敏电阻本身测温区间较窄，只有20 K左右，可以将步进长度定为0.5 K。

3.2 热敏电阻传感器的校验、数据处理方法

温度测量系统采用现场模拟温度量校验。热敏电阻阻值随温度变化，电阻值是温度的函数，故模拟温度量为电阻。现场校验时，断开热敏电阻传感器，用标准电阻箱施加标准电阻值。校验原理如图2所示。

图2 热敏电阻测量系统校验原理示意Fig.2 Schematic Diagram of Calibration Principle for Thermistor Measurement System

因使用标准电阻箱对热敏电阻温度测量系统进行校验，考虑到采集系统精度为0.1%，因此电阻箱精度应较采集系统至少高一个数量级。

为了提高液氧测量准确性，采用多档校验的方法对热敏电阻进行校验与数据处理。即校验时，根据热敏电阻分度表，按照其对应电阻值等间距施加标准，进行11档校验，形成新的mV-T分度表。

根据新的mV-T分度表，用下式进行多段插值处理，直接计算温度值。

式中 UK，UK+1为新分度表中电压值，满足分别为新分度表对应 UK和 UK+1的温度值，K；T为测量的温度值，K。

4 数据对比

热敏电阻分层温度装置搭建完成后，与原铜-康铜分层温度测量装置一起，已参与完成了多次试验参数测量任务，多次试验数据对比如图3所示。

图3 试验过程中容器温度对比曲线Fig.3 Contrast Curve of Vessel Temperature during Test

从图3中可以看出，在同样的试验条件下，每次测量的温度数据虽然略有差别，但热敏电阻传感器的测量数据与液氧主管路、液氧泵前的温度值接近，说明热敏电阻温度测量值较铜-康铜热电偶测量精度高，降低了系统误差，较真实地反映了被测介质温度。

5 结束语

采用热敏电阻传感器，利用双重手段对液氧温度进行测量，不但可以全程观测温度变化趋势，也能准确观测到某一区域内的温度值，减小了测量系统误差，保证了参数测量的准确性和可靠性，提高了液氧密度测量准确性，为进一步提高液氧流量测量准确性奠定了基础。同时，在液氧入口与液氧主管路等位置，也可借鉴容器中液氧温度测量方法，提高液氧温度测量准确性。