小直径热电偶在导弹表面温度测试中应用

摘要:针对不同线径的热电偶丝进行试验研究,分析并给出了影响表面温度测量的主要因素,分析了基于测量端形状不同的热电偶用于表面温度测量情况下,粘贴材料的粘贴性能、粘贴方式对测量结果的影响。进而解决了导弹产品在各种测试环境条件下的表面温度测试问题,提高了导弹产品表面温度测试数据的正确性和置信度。
      表面温度是导弹产品生产过程中的-一个重要参数,表面温度的高低和变化不仅直接影响导弹产品的性能,而且还会对设备设施造成不可逆转的影响,因此表面温度测量与控制在国防科技工业科研和生产领域至关重要。对导弹产品表面温度的多点、实时、快速和正确测量是全面反映导弹产品环境试验温度特征的基本条件,在某些特殊的应用场合,不仅要求测量系统具备表面温度测量显示功能,还需实现长时间的数据自动记录存储,以便事后分析处理。目前大多温度测量仪采用热电偶作为测量传感器,温度采集器通过串口方式与便携式计算机相连，将测量结果发送并存储在PC机内。
      基于此,笔者针对不同线径的热电偶丝进行试验研究,分析并给出了影响表面温度正确测量的主要因素,分析了基于测量端形状不同的热电偶用于表面温度测量情况下,粘贴材料的粘贴性能粘贴方式对测量结果的影响。进而解决了导弹产品在各种测试环境条件下的表面温度测试问题，提高了导弹产品表面温度测试数据的正确性和置信度。
1试验方案设计
1.1试验系统组成
      试验系统由多通道高速温度采集器、便携式计算机、测量热电偶和恒温槽组成。系统组成框图如图1所示。

1.2高速温度采集器的选择
      温度采集器的选择原则,一是能够采集多路测量数据,并具有较高的采样速率,二是具有计算机接口功能，能够与计算机连接组成自动测试系统,实现实时采集与分析功能。
1.3热电偶的选择
      小直径热电偶便于粘贴,采用小直径热电极的热电偶可以减小瞬态温度测量误差。另外,选择的测量热电偶材料的导热系数必须接近于所测试材料的导热系数,使沿热电偶热电极散出的热量与计算热流相比可以忽略不计;在热电偶的热接点处,由于两个热电极的导热系数不同可能产生温度场的不均匀性,这类测量误差可以通过适当选择热电极的直径来消除。所以,在保证测量温度上限要求的前提下,应尽.量选择偶丝直径较细的热电偶。为了保证热电偶传感器能够覆盖-70~250℃和300~750℃的测量范围，应选择偶丝直径为0.25mm的测量热电偶。
1.4粘贴材料的选择
      正确测量温度的必要条件是在温度测点处热电偶与被测件材料试样(固体表面)可靠的接触。热电偶指示误差与它在试样上的固定方式有关。因此只有选择合适的热电偶粘贴材料,才能达到正确测量的目的。
      在粘贴材料的选择方面,要考虑粘贴材料的粘性、耐1高温性能以及测试时的方便程度，并且,由于导弹产品表面温度测试属于成品或半成品试验,测试过程不能影响到被测件表面的外观及性能。所以,要求粘贴材料不仅能粘贴牢固,还要拆卸方便。
1.5恒温槽
      恒温槽技术指标:工作区水平温差为0.005℃,工作区最大温差为0.01℃,温度波动度为+0.01℃。.
1.6试验方法.
      导弹产品表面温度测试试验模拟空中挂飞试验状态,试验时间较短,为了保证表面温度短时正确测量,关键要考虑热电偶的热响应时间和热电偶粘贴材料的粘贴性能等对测量结果的影响。
试验方案设计主要针对热电偶的热响应时间、胶带的粘贴性能和绝缘性能进行试验,来验证产品表面温度测试方法的可信度。
      热电偶热响应时间试验测试依据为JJF1049-1995温度传感器动态响应校准规范，选择阶跃温度为50℃,由于热电偶常温放置环境温度在25℃左右,因此将恒温槽温度设定为80℃,阶跃时间即为热电偶从常温升到80℃时的时间。测试方法是先将温度传感器放在试验架.上,将恒温槽中盛满水,启动电源开关加热水温,同时启动搅拌器,使水流旋转;待恒温槽内水的温度稳定后,将装有温度传感器的试验架放人恒温槽内,同时启动时间记录仪表,测量结束后将温度传感器从水中提出,恢复到初始状态的温度。不同胶带的耐温性能测试选择300℃和800℃两种试验温度环.境,胶带选择双面胶(硅橡胶)和玻璃纤维基的单面胶;选取两种不同型号的双面胶带,在常温下进行测试，比较测试结果。
2试验数据及分析
2.1热响应时间试验分析
      热响应时间试验测试时,恒温槽选用AT100,编号为2003-14,试验时选取9只不同型号、不同偶丝外径的热电偶,热电偶型号和偶丝外径见表1所示，热电偶外形如图2所示,测试状态按照热电偶测量端裸露和用纸胶带包括热电偶测量端两种情况进行,用温度巡回检测仪采集测量数据，测试起始时间和终止时间的记录格式为时-分-秒,阶跃时间测试数据分别如表1和表2所示。以单只T型热电偶测试为例,测量端裸露时热电偶阶跃温度上升时间折线图如图3所示,用分度值为0.01s的秒表计时，手动测得的上升时间为0.23s,达到温度阶跃量63.2%所需要的时间为0.14s,即热电偶时间常数τ=0.14s,热响应时间即为0.14s。.


      由于用纸胶带粘贴过程中有两只热电偶测量端断开,表2的测试数据只剩7只。由表1试验数据可以看出,热电偶测量端裸露测试时,所有被测热电偶在同一时间达到设定温度值,热响应时间均小于0.5s。由表2试验数据可以看出，所有被测热电偶几乎在同一时间达到设定温度值,响应时间均小于2s。由此可以得出,对于现场瞬态温度测试30s左右的测试时间来说,在用胶带粘贴热电偶以后,测量端裸露的热电偶热响应时间用于产品表面温度测试完全满足测试要求;因此,在进行现场表面温度测试时,只要选择合适的胶带粘贴,满足试验温度要求即可。
2.2胶带耐热性能试验分析
      选择德莎红塑料基的双面胶带宽度20mm,厚度2mm;国产白玻璃纤维单面胶带宽度20mm,厚度2mm。在进行表面隔热材料隔热性能测试时,分别用两种不同材质的胶带粘贴热电偶,在箱式电阻炉内和酒精喷灯上加热测试,进行耐热性能试验测试。
      选用箱式电阻炉进行试验测试时,箱式电阻炉型号为SL88-283，编号为92-04;隔热材料样件形状为长方块,粘贴方式是将热电偶测量端用双面胶带黏贴在隔热材料样件表面,热电偶测量端放在双面胶上面,再用一层双面胶黏贴在热电偶测量端上面。将粘贴好热电偶的隔热材料放入箱式电阻炉内，箱式电阻炉试验温度设定为800℃,从测试样件放人炉内开始计时,样件在炉内放置30s,热电偶测试最高温度为674℃,隔热材料样件从炉内取出后胶带仍能粘贴热电偶测量端。由此表明该型号的双面胶耐热性能良好,可以用于材料表面温度短时测试试验。
      使用酒精喷灯进行试验时,热电偶黏贴在没有涂覆隔热材料的一面,黏贴方式和在电阻炉内测试时相同,将粘贴好热电偶的隔热材料样件放在试验架上,使用酒精喷灯对隔热材料样件进行加热,从样件放到酒精喷灯上方开始计时,加热时间为60s,热电偶测试最高温度值为321℃;根据测试结果，发现玻璃纤维丝基的单面胶由于胶层较薄,加热温度300℃左右粘性失效;而另外--种双面胶在此温度下粘性良好,由此可以得出,玻璃纤维丝基的单面胶不能用于高温测试。
2.3双面胶绝缘性能测试分析
      选取德莎红塑料基的双面胶带(宽度为20mm,厚度为2mm)和普通纸基双面胶带(宽度为10mm,厚度为1.5mm),分别将两种不同的胶带粘贴在导体表面，使用ZC-1型兆欧表进行测量,测得的绝缘电阻值均大于500Mn。
      由此可知，两种型号的胶带均能满足绝缘测试要求,可以用于带电接线柱或带电器件表面温度测试;但是由于厚质双面胶粘性较强，用于粘贴热电傌容易固.定,可以达到较满意的测试结果。
3结束语
      细丝热电偶由于其热容量小，响应速度快,热响应时间短,又不会使布置热接点区域内的温度场发生畸变;用于表面温度瞬态测试时,通过热传导可以和被测件快速交换热量达到热平衡;然而,热电偶丝比较细，机械强度也就较低,尤其是在高温下热电极变脆时就更是如此，极易引起热电偶丝熔断。在进行高温测试时,不但要考虑粘贴材料的黏结性，还要考虑其耐高温性能,保证在整个测温过程中,热电偶与被测材料样件一直能完好的接触。通过上述试验分析得知,使用硅橡胶双面胶带,可以用于750℃的瞬态温度测试。
      对于导弹产品通电工作状态下,电子器件表面温度测试时绝缘材料的选取,普通双面胶带即能达到比较满意的绝缘效果;但在对通电器件、导体的温度测试过程中，由于需要将热电偶粘贴在通电器件、导体的表面,在测量时间足够长的前提下,粘性越好的胶带越能更好的保证热电偶测量端与被测件表面牢固接触,达到比较满意的测量效果。