非标高温热电偶影响测量精度因素

摘要:本文对几种常用非标准化高温热电偶在测温过程中影响测量精度的各种因素，对提高测温精度提出了几点建议。
0引言
　　航空航天技术的飞速发展，飞机性能的不断提高,要求航空发动机的性能也要不断提高，其手段之一就是提高涡轮前燃气温度。世界上现役的军用飞机发动机的涡轮前燃气温度约为1500~1600℃，这个温度还在不断提高。
　　用于喷气发动机温度测量和控制的热电偶要求能在更高的温度范围可靠地工作，这些热电偶要经受氢气、碳化氢、空气以及发动机中产生的非平衡化学反应产物的影响。为了有效地测量和控制温度，要求热电偶反应迅速灵敏，稳定可靠，大量的非标准化热电偶得到迅速发展以满足某些特殊测温要求。
1非标准化高温热电偶简介
　　目前，常见的非标准化高温热电偶有以下几类:铂铑系列:铂铑40-铂铑20热电偶(可以达到1850℃温度范围，在特殊情况下甚至可以达到1880℃)。铂铑系列:铂铑60-铂热电偶(最高使用温度可达2100℃)。可用于真空、惰性气体或稍有氧化性的气氛中，多用于宇航火箭技术中的测温工作。钨铼系列:钨铼5-钨铼20热电偶可以测到2400~2800℃的高温，短时达3000℃,但它在高温下易氧化，只能用于真空或还原性、惰性气氛中。在某些发动机设计单位，铂铑40-铂铑20热电偶以及铂铑热电偶已经在气流高温传感器的研制中开始应用。
2影响测量精度的因素
　　在使用这些非标准化热电偶测量高温气流过程中，影响测量精度的因素很多，其中包括:静态标定、参考端温度、催化效应、导热、辐射换热、气流速度等等，本文主要分析以下三种影响因素:静态标定、参考端温度、催化效应。
2.1静态标定
　　当热电偶的静态标定温度超过1500℃时，标定所用的高温温场大多由钨管炉或高温黑体炉提供，标准器则采用标准光电高温计或标准的辐射温度计。由于铂铑系列和钨铼系列热电偶需要用在惰性气氛中，所以需要充人氩气并维持--定的压力或流量以保证惰性气氛。
　　在升温或降温的过程中不断地充放气，会破坏高温炉内的温场，加剧温场的波动，从而扩大了测温结果的扩展不确定度，测温的精度也受到很大影响。
　　除了温场波动对最终测温精度的影响，高温炉上所用的观察窗对测温准确度的影响也不容忽视。常用的窗口材料为石英玻璃，波长范围一般是0.23~4.5um,由于标准光电高温计工作波长为0.66μm,，所以在不同温度下石英玻璃对温度的衰减也不同，通过在标准温度灯上对同一批次三片不同的石英玻璃片进行标定，可以看出随着温度的升高，石英玻璃窗的温度衰减越严重，标定数据如表1所示，石英玻璃观察窗温度衰减特性图如图1所示。
 
　　另外，值得注意的是，几乎所有的金属热电偶在1500℃以上都会和碳起反应，所以金属热电偶高温下的标定或测温都不能在含碳气氛下进行，高温炉发热材料的选择也要避开含碳的材料。
2.2参考端温度
　　虽然铂铑40-铂铑20热电偶在1550~1880℃之间的微分电势是个常数，线性度很好，但是铂铑40-铂铑20热电偶在常温下有一定的热电势，并且微分电势很小，所以参考端温度的测量精度大大降低。测量高温气流的温度的工况条件比较恶劣，不可能使用冰瓶进行冷端补偿。测温时热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质温度和周围环境的影响,不仅很难保持在0℃，而且经常是波动的。比如测量喷气发动机排气温度时，由于热电偶很短，参考端紧靠发动机排气简外壳附近，参考端温度就是波动的。所以无论是铂铑系列还是铂铑系列，热电偶参考端的温度不等于0℃时，对被测温度的正确率有着十分重要的影响。如果参考端温度是变化的，那么引入的测量不确定度也是一个变量，对测温的精度影响也更加复杂。
2.3催化效应，
　　铂铑金属及其合金是著名的催化剂材料。用这些材料制成的铂铑、铂铑系列的热电偶测量燃气温度时，在某些情况下当燃气和偶丝接触时，由于铂族金属的催化作用，能使氢-空气、一氧化碳-空气、甲烷-空气、丙烷-空气、丁烷-空气等可燃混合气体的氧化反应加速。使热电偶测得的温度比气流真实温度高，从而使测量结果产生系统误差。
　　催化温升的数值一般不具有重复性，所以很难用修正的方法来消除催化效应引起的误差。影响催化效应的主要是燃气温度和气流速度，在一定的温度范围内温度越高催化效应就越明显。气流速度越高，催化温升也越高。为此，在1700℃热校准风洞上对设计好的铂铑、铂铑40-铂铑20双屏偶进行性能考察，将其与原有的B型参考温度传感器进行比对研究，分析其在不同温度、不同速度、不同抽气压力、偶丝表面是否镀膜的测温偏差，试验结果如表2~3所示。各表中，Ma为气流马赫数;Ps为抽气压力;I,为参考温度(原参考温度传感器指示温度);Po为总压;pat为大气压;p.为静压;t0为被测温度(高温双屏偶指示温度);△t为测温偏差。
 
 
　　铂铑双屏偶与铂铑40-铂铑20双屏偶比参考温度传感器指示温度高是不正常的。分析原因，可能是由，于铂铑双屏偶与铂铑40-铂铑20双屏偶是新偶，贵金属本身存在催化效应，致使指示温度偏高，可将新偶表面镀膜，然后再与参考温度传感器(旧偶)进行比对试验。将铱铑双屏偶、铂铑40-铂铑20双屏偶的外屏、内屏以及偶丝表面进行镀膜处理后，其测温偏差试验结果如表4~5所示。表中，△tr为相对测温偏差。
　　由表4~5可以看出，镀膜后高温双屏偶的测温偏差有大幅度减小，说明新偶存在催化效应的分析是正确的。
 
3提高测量精度的措施
　　根据以上影响因素的分析，可以通过以下措施提高非标准化热电偶的测量精度:
1)增强热电偶标定装置中高温炉的密封性，减少充放气的次数，从而减小温场的波动;
2)将石英玻璃观察窗进行标定，修正石英玻璃窗对温度的衰减;
3)热电偶的参考端可以固定在恒温器内，能使参考端的温度相对恒定，也可以减小参考端温度波动对测温的影响;
4)增加热电偶的长度，减小参考端温度受到的被测介质温度和周围环境的影响;
5)在使用工况完全确定的情况下，在热电偶丝表面上镀氧化铝涂层，涂层不仅是在偶丝接点处，而是布及整个处于燃气流中的贵金属偶丝，以减小催化效应的影响。