航空发动机燃烧室出口高温热电偶校准

摘要:目前，虽然有众多的方法测量燃烧室出口燃气温度，但热电偶以其造价低、使用方便和数据录取快捷等特点，在燃烧室出口温度场测量中被广泛采用。然而，由于热电偶接点与周围环境进行导热、对流与辐射换热，热电偶测温存在辐射误差与导热误差(合称为换热误差)。换热误差易受到周围环境、电偶材料、电偶型式等因素的影响。因此，在航空发动机燃烧室的基础上，研究其出口位置高温热电偶校准技术，减少误差。
　　热电偶是基于赛贝克效应的测温元件，由于其具有测量精度高、热响应时间快、测量范围大、性能可靠等特点，是航空发动机中最常用的温度传感器之一。热电偶在使用过程中易受到环境影响，其热电特性会发生变化，故为了保证测温的准确性，必须根据国家检定规程和校准规范定期检定热电偶，依此判定被检热电偶是否可以继续使用。
1热电偶有关概念
1.1热电偶概念
　　热电偶是将2种不同材料的金属焊接在一起，当参考端和测量端有温差时，就会产生电动势，根据该电动势与温度的单值关系可以得到测量端温度。热电偶具有结构简单，响应快，适宜远距离测量和自动控制的特点，应用比较广泛。在理想状态下，热电偶的理论误差<0.5%,但在实际测量中，其测量精度还受到燃烧室内气流和边界条件以及热电偶结构等因素的影响，实际误差远高于0.5%。由于热电偶接点与周围环境进行导热、对流与辐射换热，热电偶测温存在辐射误差与导热误差(合称为换热误差)。这些误差很难定量,使得修正热电偶的测量温度极为困难。
1.2热电偶工作原理
　　由两种不同金属或合金A、B组成，如图1左图的闭合回路，是最简单的热电偶回路，这两种不同金属或合金的组合就称为热电偶。.
 
　　实际测温中的热电偶回路如图1右图所示，A、B称为热电极，它们的一端通常焊接在一起形成接点，称为测量端(工作端或热端)，而另一端称为参考端(自由端或冷端)。测温时，将热电偶的测量端置于被测温场中，其参考端恒定在某一温度下(通常为0℃)，然后通过连接导线与测量仪表相连。由于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶回路中就有电动势产生。用测量仪表测得电动势的数值后，便可间接知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。
2热电偶校准技术
2.1稳态校准
　　是采用聚焦到3.5μm点的激光東使两个结之间产生温差。当激光束对传感器扫描时，将镍电阻传感器的响应与热电偶的响应进行比较，就可获得热电偶结的灵敏度。由于热电偶结采用作为标准的电阻传感器校准，因而校准方法与所吸收的激光功率及夹层介质的热性质无关。
　　稳态校准分两步完成。在第一步中，被校准的镍条(WZ=90μm)用作电阻温度传感器。这将元件暴露千加热室的不同温度之中就能实现。测得室温电阻为600，灵敏度为0.24Ω/℃。为了确保钽/金/钽引线电阻确实可忽略不计,.测量了自由宽度W2=60μm的第二个镍条的灵敏度，测得第二个镍条电阻为40Ω，灵敏度为0.16Ω/℃.具有W2的线性刻度说明引线的影响可以忽略。
2.2静态校准
　　在温度的测量过程中，用热电偶测出的实际上是热电势,而并非温度值本身，所以必须知道每-种热电偶的热电势与温度之间的对应关系，才能最终得到需要的温度值，而且不同材料组成的热电偶其热电势与温度之间的关系又是不同的，因此对于那些非标准的热电偶在使用前就必须进行静态校准。热电偶的静态校准，就是将热电偶置于若干温度下测量其热电势，并确定热电势与温度的对应关系。
2.3动态校准
　　热电偶的动态校准不论在国内还是在国外都尚处于发展阶段，没有相应的标准出台，很多研究工作都是探索性的，并且大多仅是为了直接获取热电偶的时间常数，热电偶的时间常数定义为:假定对这种传感器的热接点施加一个阶跃变化的温度，传感器的输出与初始温度差达到整个温度阶跃的63.2%时，所经历的时间。热电偶时间常数的获取方法，一般是按输.入为阶跃信号对其进行动态校准实验，从输出响应曲线上直接获取。在产生用于动态校准的阶跃温度信号的方法上，由于激光加热易于控制的优点,随着激光技术的发展,激光加热将成为一种趋势，然而其研究还很不完善，没有形成统一的标准，所以，目前产生阶跃温度信号的主要方法仍然为:热风洞法、瞬时电加热法和激波管法，此处不做详细阐述。
2.4使用高温热电偶校准装置
　　在校准时，以标准光电高温计为标准，通过炉体上的黑体辐射腔使光电高温计测量炉体中心区的温度，黑体辐射腔的末端与被检热电偶的感温端在同一平面，二者温度值相同，利用比较法得到热电偶的示值误差。高温热电偶通过低热电势扫描开关连接到数字电压表进行测试，通过串口由上位机实时读取热电偶的电势值，同时上位机也采集光电高温计的实时标准温度，通过软件换算比对得到被检热电偶的示值误差或修正值。
3结束语
　　传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其水平的高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。温度传感器作为传感器的重要分支，被广泛地用于正确测量和自动控制等领域，为了能够满足实时在线、快速和准确的温度测量，对温度传感器进行动态校准显得越来越重要。阐述了几点热电偶校准技术，以供参考。