固體火箭發(fā)動機測試與試驗技術第六章

固體火箭發(fā)動機測試與試驗技術主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity1熱電偶基本原理

將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，當導體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。

什么是熱電偶

熱電偶與熱電阻均屬于溫度測量中的接觸式測溫，盡管其作用相同都是測量物體的溫度，但是他們的原理與特點卻不盡相同.

熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度器件，他的主要特點就是測量范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時結構簡單，動態(tài)響應好，更能夠遠傳4-20mA電信號，便于自動控制和集中控制。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應。將兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，又稱為塞貝克效應。閉合回路中產生的熱電勢有兩種電勢組成；溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一導體的兩端因溫度不同而產生的電勢，不同的導體具有不同的電子密度，所以他們產生的電勢也不相同，而接觸電勢顧名思義就是指兩種不同的導體相接觸時，因為他們的電子密度不同所以產生一定的電子擴散，當他們達到一定的平衡后所形成的電勢，接觸電勢的大小取決于兩種不同導體的材料性質以及他們接觸點的溫度。目前國際上應用的熱電偶具有一個標準規(guī)范，國際上規(guī)定熱電偶分為八個不同的分度，分別為B，R，S，K，N，E，J和T，其測量溫度的最低可測零下270攝氏度，最高可達1800攝氏度，其中B，R，S屬于鉑系列的熱電偶，由于鉑屬于貴重金屬，所以他們又被稱為貴金屬熱電偶而剩下的幾個則稱為廉價金屬熱電偶。熱電偶的結構有兩種，普通型和鎧裝型。普通性熱電偶一般由熱電極，絕緣管，保護套管和接線盒等部分組成，而鎧裝型熱電偶則是將熱電偶絲，絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后，經過拉伸加工而成的一種堅實的組合體。但是熱電偶的電信號卻需要一種特殊的導線來進行傳遞，這種導線我們稱為補償導線。不同的熱電偶需要不同的補償導線，其主要作用就是與熱電偶連接，使熱電偶的參比端遠離電源，從而使參比端溫度穩(wěn)定。補償導線又分為補償型和延長型兩種，延長導線的化學成分與被補償?shù)臒犭娕枷嗤?，但是實際中，延長型的導線也并不是用和熱電偶相同材質的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導線代替。補償導線的與熱電偶的連線一般都是很明了，熱電偶的正極連接補償導線的紅色線，而負極則連接剩下的顏色。一般的補償導線的材質大部分都采用銅鎳合金。26.6溫度測量發(fā)動機試驗中測量的溫度有：發(fā)動機殼體與噴管組件的表面溫度、燃氣溫度、試車臺環(huán)境溫度和試驗設備溫度等。測量溫度的方法分為接觸式和非接觸式兩類，它們的特點如下：1）接觸式測溫可直接求得被測對象的真實溫度。非接觸式測溫只能獲得對象的表觀溫度，需要通過對被測對象表而發(fā)射率的修正才能接近真實溫度。因此，一般說來非接觸法測溫精度較接觸法低。2）接觸法可測液體內部溫度，非接觸法可測表面溫度分布。3）非接觸法可對運動物體或熱容量小的物體的溫度進行測量，接觸法難以實現(xiàn)。4）非接觸法測溫范圍很寬，從理論上講可以測量極低溫至極高溫，接觸法受材料限制，通常測2000℃以下。5）接觸法較非接觸法反應慢。6）接觸法要求傳感器檢測部分的熱容量小，安裝接觸良好，非接觸法安裝時要注意輻射通道中的吸收和光路污染等間題。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity3CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

6.6.1熱電偶測溫熱電偶結構簡單、測溫范圍寬、熱慣性小、精度和穩(wěn)定性也較高，經濟實用，是發(fā)動機試驗中用得最多的測溫元件。熱電偶是利用熱電效應工作的感溫元件，其測量電路如圖6-24所示。4CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

熱電偶的熱電特性，即熱電勢與溫度的對應關系，可用三種方法表示：列表法（用分度表）、數(shù)學表示法（用特性方程）和作圖法（用特性曲線）。最常用的是分度表。（l）熱電偶的選擇熱電偶材料和結構形式有多種，按測量要求與使用條件來選擇。發(fā)動機試驗中常用的熱電偶有：銅-康銅、鎳鉻-鎳硅、鉑銠10-鉑、鉑銠30-鉑銠6和鎢錸系列熱電偶。除鎢錸系列外，其余幾種屬標準化熱電偶，同一型號有統(tǒng)一的分度表，互換性好，使用方便。5

測量300℃以下的溫度時，選用銅-康銅熱電偶。這種熱電偶熱電勢率較高，加工性好，價格低廉，其最大特點是可以測量低溫，測量下限為70K。鎳鉻-鎳硅熱電偶的熱電勢率也較高，且熱電勢與溫度近似成線性關系，測量范圍為0～1300℃。這兩種熱電偶是發(fā)動機試驗中用得最多的。鉑銠10-鉑和鉑銠30-鉑銠6的性能穩(wěn)定，精度高，但價格貴，可作為標準熱電偶，多用于實驗室精密測量，也用于試驗現(xiàn)場測量1000℃以上的高溫。鎢錸系列熱電偶是目前測溫上限最高的，用于測量2000℃以上的高溫。普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽和液體介質的溫度。根據(jù)測溫范圍和環(huán)境氣氛，選擇合適的熱電極材料和保護管。此種熱電偶的安裝采用螺紋連接或法蘭連接。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity6CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

鎧裝熱電偶與普通熱電偶相比有以下優(yōu)點：外徑可做得很小（最細可到0.25mm），因此熱慣性小，動態(tài)響應好（可達毫秒級），且測量端熱容量小，可以更準確地測量熱容量小的物體的溫度；撓性好，能應用于結構復雜的裝置上測溫；機械性能好，適用于具有振動和沖擊的設備的溫度測量；耐高溫和高壓，可用于各種高溫高壓下工作的設備的溫度測量。

薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成一個特殊結構的熱電偶。其測量端既小且?。s），因此熱容量很小，可用于微小面積上的溫度測量。動態(tài)響應很好，時間常數(shù)可達微秒級，適于測量瞬態(tài)溫度。在發(fā)動機試驗中，溫度測點很多，并且受到安裝條件限制，所以使用的熱電偶大多是根據(jù)測量要求選擇標準的熱電極材料現(xiàn)場制作的。7

（2）熱電偶的校準熱電偶不僅在使用前要校準，在使用一段時間后其熱電特性可能發(fā)生變化，也需要進行校準。對于新制作的熱電偶，必須通過校準來確定其熱電特性和精度。熱電偶的校準通常稱為分度。常用校準方法有固定點校準和比較法校準。固定點校準是在純物質的熔點、沸點等固定溫度點上進行的，校準精度高。對于大多數(shù)應用來說，采用比較法校準可以得到足夠的精度。比較法是將被校熱電偶和標準溫度計（如標準熱電偶，電阻溫度計或玻璃管液體溫度計）一起放入加熱設備中，使它們感受相同溫度，用高精度測量儀表測出被校熱電偶的電勢值，與標準溫度計的輸出相比較，給出被校熱電偶的熱電勢與溫度的關系以及分度誤差。此法簡便、經濟。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity8

用于比較法分度的加熱設備有管式電爐和各種不同介質的恒溫槽（如水、油、丙酮、熔化鹽等），各使用溫度范圍不同，根據(jù)校準要求選擇。比較法校準的效果一般取決于能使被校熱電偶與標準感溫元件達到相同溫度的能力，也受標準元件精度限制。校準過程中，熱電偶的參比端溫度必須是已知的，一般是使其保持在0℃。

（3）參比端處理方法熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的測溫儀表，都是以參比端溫度為0℃做出的。在實際使用中，要使參比端保持在0℃常常是很困難的。為了保證測量精度，需要對參比端采取適當?shù)奶幚矸椒ā?/p>

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a．參比端保持在0℃純凈的冰屑和水混和在一起，達到熱平衡時即為0℃。這種方法可以使接點溫度誤差非常微小.但是，如果使用不當，可能造成嚴重誤羞。最大的誤差是由于冰熔化使參比端在冰層之下而僅僅被水包圍所引起的，接點周圍溫度可能達4℃。這種方法主要用于實驗室精密測量。在試驗現(xiàn)場使用很麻煩，并且由于周圍環(huán)境影響，很難保證恒定在0℃。目前已制造出一些能保持在0℃的自動恒溫裝置。b．參比端保持在非0℃的恒定溫度為了使熱電偶參比端保持在某一恒定溫度，可采用各種恒溫裝置，如電加熱的恒溫箱、裝填絕熱物的鐵盒、充滿變壓器油的保溫瓶等。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity10

采用帶有溫控系統(tǒng)的電加熱恒溫箱，可以達到很好的恒溫效果。為了獲得足夠的溫度精度，需配備較為復雜的控制系統(tǒng)。通用的恒溫箱精度為0.05～0.1℃。推薦使用的參比端溫度高于周圍環(huán)境溫度，典型的為66℃。此外，還應保證恒溫箱內溫度的均勻性。

裝填絕熱物或充滿變壓器油的恒溫器，不需電加熱設備和復雜的控制系統(tǒng)，在試驗現(xiàn)場使用簡便易行。對于固體火箭發(fā)動機試驗，工作時間短，可以獲得滿意的恒溫效果。當參比端保持在某一非0℃的恒定溫度時，其測量結果與參比端為0℃時相差一個固定值，需要進行修正，其方法有兩種：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity11

一是熱電勢修正法。首先按照所用熱電偶的分度表，查出參比端對應的熱電勢。然后根據(jù)中間溫度定律，用下式計算：

（6-19）式中t—測量端溫度（℃）；—參比端溫度（℃）；—熱電偶分度時的參比端溫度（℃），此處為0℃；—參比端溫度為，被測溫度為時對應的熱電勢；—測量所得電勢，即測量端溫度為，參比端溫度為對應的熱電勢；—由分度表查出的參比端溫度所對應的熱電勢。最后，由對照所用熱電偶的分度表，求出被測溫度的值。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity12

二是溫度修正法。這是一種近似修正法。此法不需要將參比端溫度換算為電勢，而是直接用溫度計算，公式為

（6-20）式中—由測量所得的電勢對照分度表得出的溫度（℃）；—修正系數(shù)，其值決定于所用熱電極材料及被測溫度，對于熱電特性近似為線性的熱電偶，。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity13

c．補償導線

補償導線又稱延長導線。補償導線是由兩種金屬材料組成，在一定的溫度范圍內，它們與所配用的熱電偶其有相同的熱電特性。使用時，分別將這兩種導線與熱電極連接起來，再引至某一恒定溫度處tn（見圖6-24）。這樣，回路中的總熱電勢只與測量端溫度t和補償導線與傳輸導線連接處的溫度tn有關，而與補償導線與熱電極連接處的溫度無關，這就相當于把熱電極延長了。tn當不為0℃時，應按b中所述方法修正。使用補償導線時應注意：1）各種補償導線只能配一定熱電極材料的熱電偶，且只能在規(guī)定的溫度范圍內使用；2）補償導線與熱電偶連接時，必須正、負極分別相對應，且兩個連接點必須處于同一溫度。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity14

（4）熱電偶的安裝熱電偶的安裝方法對測量結果起著重要作用。引起熱電偶測溫誤差的原因有熱電偶本身性能、測量儀器的精度、測量線路影響、由安裝帶來的誤差等。精心選擇性能優(yōu)良的熱電偶和高精度的測量儀器，并合理地連接整個電測系統(tǒng)，則由熱電偶、測量儀器和連接線路所產生的誤差相對于熱電偶安裝造成的誤差來說是非常小的。用熱電偶測量表面溫度的關鍵問題是至今還沒有一種能保證測量出表面真實溫度的比較理想的安裝方法。熱電偶安裝到被測表面后，測量端附近的表面將通過導熱把熱量傳遞給熱電極而散失到周圍介質中。這樣，由于沿熱電極導熱的影響破壞了被測表面的溫度場，熱電偶所指示的溫度并不是被測表面的真實溫度，這就產生了誤差。這種誤差是導熱誤差，可用安裝系數(shù)表示。實際的測量誤差與最大可能出現(xiàn)的誤差之比，稱為安裝系數(shù)，用下式表示CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity15式中—安裝系數(shù)；—被測表面真實溫度；—熱電偶測得的溫度；—被測表面周圍介質溫度。在給定工況下，愈小測溫準確度愈高。的大小與熱電偶材料、尺寸、安裝方式、被測表面狀態(tài)以及周圍環(huán)境等因素有關。其值可由理論計算獲得，但如果要求準確值，則應通過實驗來確定。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity16輻射誤差是由于熱電偶測量端與周圍環(huán)境之間的輻射換熱，使熱電偶測出的溫度偏離被測表面溫度而產生的誤差。為了減小導熱誤差的輻射誤差，在安裝熱電偶時采取以下措施：1）采用沿等溫線敷設的方法來安裝熱電偶。熱電偶的測量端與被測表而直接接觸后，熱電極再沿表面等溫線敷設至少50倍熱電極直徑的距離后再引離表面，熱電極與被測表面用絕緣材料隔開。2）對于導熱性差的被測表面（例如非金屬復合材料），先將熱電偶的測量端與導熱性能良好的集熱片（如銅片）焊接在一起，然后再與被測表面接觸。3）熱電偶安裝到被測表面上后，采取絕熱防護措施，例如用石棉布、玻璃纖維布等覆蓋，或加隔熱屏蔽罩，以減小熱電偶測量端與周圍環(huán)境的傳熱和輻射換熱帶來的誤差。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity17

熱電偶測量表面溫度的安裝方法，對于薄壁，可采用焊接、壓緊和粘貼，以焊接安裝為最好；對于厚壁，可用壁面開槽埋設，并用填充物（如耐熱水泥、釬料等）填平，再將表面打光。發(fā)動機上通常不允許焊接或開槽，也不易壓緊。所以，熱電偶用于測量發(fā)動機表面溫度時，最常用的安裝方法是粘貼，在有的情況下也可以用壓緊。（5）測量系統(tǒng)溫度測量系統(tǒng)組成如圖6-25所示。熱電偶為自源式傳感器，其輸出為幾百微伏至幾十毫伏，經放大后由數(shù)據(jù)采集與記錄設備記錄。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity18溫度測量系統(tǒng)可采用溫度量校準或電量校準。

溫度量校準是采用一定的加熱設備在所測溫區(qū)內對熱電偶連續(xù)或定點加熱，來對包括熱電偶在內的整個測量系統(tǒng)進行校準，以確定測量系統(tǒng)的輸出與被測溫度的對應關系。其校準方法與熱電偶校準相似。用溫度量校準可以修正包括熱電偶本身誤差在內的系統(tǒng)誤差，得到較高的測量精度。在試驗現(xiàn)場對熱電偶加熱很麻煩，也難以實現(xiàn)。并且由于校準過程需時間長，不易保證測量時的環(huán)境條件與校準時相同，會帶來誤差。因此，在試驗現(xiàn)場通常采用電校準法。電校準法是用精密直流電壓代替在給定溫度下熱電偶所產生的熱電勢，接入測量系統(tǒng)來完成校準（見圖6-25）。此法簡單方便，缺點是不能對熱電偶的熱電特性進行校準。通常的做法是事先在實驗室對熱電偶進行校準或校驗，試驗時只對測量系統(tǒng)進行電校準即可。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity19CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity6.6.2熱電阻測溫（1）電阻溫度計電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻與溫度成一定函數(shù)關系的特性制成的測溫元件。與熱電偶相比，主要優(yōu)點是靈敏度高，測量精度高，不需冷端補償；缺點是體積較大，反應速度慢。大多數(shù)金屬材料具有正的電阻溫度系數(shù)（表示電阻當溫度改變1度時，電阻值的相對變化

），而半導體材料具有負的電阻溫度系數(shù)。對制造電阻溫度計的材料，要求具有盡可能大而穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和盡可能大的電阻系數(shù)，并能承受一定的溫度。固體發(fā)動機試驗中常用的有鉑電阻溫度計和銅電阻溫度計兩種。鉑電阻的測量精度很高，能在很寬的溫度范圍內使用，并可做得體積很小。銅電阻價格便宜，一般測量中多被采用。其缺點是精度不高，測溫范圍窄，熱慣性大。20

（2）熱敏電阻（利用的原理是溫度引起電阻變化

）熱敏電阻與金屬導體熱電阻比較有以下優(yōu)點：1）有很大的負電阻溫度系數(shù)，因此靈敏度很高，是金屬熱電阻的8～10倍；2）體積小，熱容量小，可用于測量“點”溫度和快速度化的溫度；3）制造工藝比較簡單，價格便宜。其缺點是互換性差，精度低，非線性大，性能不穩(wěn)定，使用溫度范圍窄。（3）測量電路

熱電阻溫度計的電阻與溫度成一定的對應關系，確定電阻的值就可以相應地得到所測溫度值。測量電阻的方法都可用于熱電阻溫度計的測量電路。常用的有三線制恒壓源電路和四線制恒流源電路兩種。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity21

（4）測量系統(tǒng)的校準電阻溫度計測溫系統(tǒng)的校準通常采用電校準法。將傳感器從測量系統(tǒng)中斷開，用一個精密電阻器代替?zhèn)鞲衅鹘尤胂到y(tǒng)來完成校準。精密電阻器的阻值按照預定的測溫范圍和所用傳感器的電阻-溫度特性來確定。6.6.3感溫元件的熱慣性與動態(tài)誤差采用接觸法測溫時，都是將溫度傳感器與被測物體接觸，利用熱傳導使二者的溫度達到平衡來進行測量的。由于達到熱平衡需要一定的時間，測溫儀器并不能立即反應出被測溫度，而有一段滯后時間，這就產生了動態(tài)誤差。產生動態(tài)誤差的因素有：感溫元件的比熱、導熱系數(shù)、體積和受熱面積；被測介質的熱容量、導熱系數(shù)與流動情況；測量儀表的滯后等。在一般情況下，感溫元件的熱慣性影響最大。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity22克服動態(tài)誤差的方法，一是通過理論計算和實驗測量確定動態(tài)誤差范圍，對實際測量數(shù)據(jù)進行修正；二是采取各種可能措施，將動態(tài)誤差減小到允許范圍之內。根據(jù)推導，感溫元件瞬時溫度（℃）與被測介質溫度（℃）之間的關系用下式表示

（6-22）式中—感溫元件的初始的溫度（℃）；—時間；—感溫元件的時間常數(shù)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity23

時間常數(shù)不僅與感溫元件的結構、尺寸和材料有關，而且在不同的情況下，感溫元件的放熱系數(shù)、比熱和尺寸都可能不同，很難準確地得到的瞬時值。為了減小動態(tài)誤差，可選擇導熱系數(shù)大的材料，使用比熱、密度和體積均小的感溫元件，增大感溫元件與被測表面的接觸面積，以及采取其他增大放熱系數(shù)的措施。6.6.4非接觸式測溫采用非接觸法測溫時，在溫度參數(shù)的檢測過程中，檢測元件與被測對象互不接觸，因此可以對高溫對象、熱容量小的對象、熱接觸困難或不希望擾亂其溫度分布的對象以及運動體等的溫度進行測量，同時還可以實現(xiàn)快速測溫和測量表面溫度的分布。

輻射溫度計是非接觸式測溫計中的一類，本節(jié)簡單介紹光學高溫計和熱像儀。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity24

（1）光學高溫計光學高溫計是使用最早的輻射溫度計。它是利用受熱物體在某一特定波長下的光譜輻射能量的大小與該物體溫度之間存在一定的關系來進行測溫的，物體在高溫狀態(tài)下會發(fā)光，其亮度與輻射強度成正比，所以受熱物體的亮度反映了物體的溫度。直接測量物體的亮度是困難的，一般都是采用比較法。比較法是利用一已知溫度的亮度與被測物體亮度進行比較來確定被測溫度的。光學高溫計結構簡單，使用方便，測量范圍寬（700～3200℃）。其主要缺點是人的主觀因素對測量結果影響較大，并且不能實現(xiàn)快速測溫和自動記錄。使用光學高溫計時，測量距離應保持在0.7～5m之內。影響測量精度的主要因素