固体火箭发动机测试与试验技术第六章

固体火箭发动机测试与试验技术主讲：刘平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity1热电偶基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

什么是热电偶

热电偶与热电阻均属于温度测量中的接触式测温，尽管其作用相同都是测量物体的温度，但是他们的原理与特点却不尽相同.

热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测量范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成；温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同，而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B，R，S，K，N，E，J和T，其测量温度的最低可测零下270摄氏度，最高可达1800摄氏度，其中B，R，S属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电偶丝，绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递，这种导线我们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型和延长型两种，延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同，但是实际中，延长型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属，一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替。补偿导线的与热电偶的连线一般都是很明了，热电偶的正极连接补偿导线的红色线，而负极则连接剩下的颜色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。26.6温度测量发动机试验中测量的温度有：发动机壳体与喷管组件的表面温度、燃气温度、试车台环境温度和试验设备温度等。测量温度的方法分为接触式和非接触式两类，它们的特点如下：1）接触式测温可直接求得被测对象的真实温度。非接触式测温只能获得对象的表观温度，需要通过对被测对象表而发射率的修正才能接近真实温度。因此，一般说来非接触法测温精度较接触法低。2）接触法可测液体内部温度，非接触法可测表面温度分布。3）非接触法可对运动物体或热容量小的物体的温度进行测量，接触法难以实现。4）非接触法测温范围很宽，从理论上讲可以测量极低温至极高温，接触法受材料限制，通常测2000℃以下。5）接触法较非接触法反应慢。6）接触法要求传感器检测部分的热容量小，安装接触良好，非接触法安装时要注意辐射通道中的吸收和光路污染等间题。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity3CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

6.6.1热电偶测温热电偶结构简单、测温范围宽、热惯性小、精度和稳定性也较高，经济实用，是发动机试验中用得最多的测温元件。热电偶是利用热电效应工作的感温元件，其测量电路如图6-24所示。4CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

热电偶的热电特性，即热电势与温度的对应关系，可用三种方法表示：列表法（用分度表）、数学表示法（用特性方程）和作图法（用特性曲线）。最常用的是分度表。（l）热电偶的选择热电偶材料和结构形式有多种，按测量要求与使用条件来选择。发动机试验中常用的热电偶有：铜-康铜、镍铬-镍硅、铂铑10-铂、铂铑30-铂铑6和钨铼系列热电偶。除钨铼系列外，其余几种属标准化热电偶，同一型号有统一的分度表，互换性好，使用方便。5

测量300℃以下的温度时，选用铜-康铜热电偶。这种热电偶热电势率较高，加工性好，价格低廉，其最大特点是可以测量低温，测量下限为70K。镍铬-镍硅热电偶的热电势率也较高，且热电势与温度近似成线性关系，测量范围为0～1300℃。这两种热电偶是发动机试验中用得最多的。铂铑10-铂和铂铑30-铂铑6的性能稳定，精度高，但价格贵，可作为标准热电偶，多用于实验室精密测量，也用于试验现场测量1000℃以上的高温。钨铼系列热电偶是目前测温上限最高的，用于测量2000℃以上的高温。普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。根据测温范围和环境气氛，选择合适的热电极材料和保护管。此种热电偶的安装采用螺纹连接或法兰连接。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity6CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

铠装热电偶与普通热电偶相比有以下优点：外径可做得很小（最细可到0.25mm），因此热惯性小，动态响应好（可达毫秒级），且测量端热容量小，可以更准确地测量热容量小的物体的温度；挠性好，能应用于结构复杂的装置上测温；机械性能好，适用于具有振动和冲击的设备的温度测量；耐高温和高压，可用于各种高温高压下工作的设备的温度测量。

薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成一个特殊结构的热电偶。其测量端既小且薄（约），因此热容量很小，可用于微小面积上的温度测量。动态响应很好，时间常数可达微秒级，适于测量瞬态温度。在发动机试验中，温度测点很多，并且受到安装条件限制，所以使用的热电偶大多是根据测量要求选择标准的热电极材料现场制作的。7

（2）热电偶的校准热电偶不仅在使用前要校准，在使用一段时间后其热电特性可能发生变化，也需要进行校准。对于新制作的热电偶，必须通过校准来确定其热电特性和精度。热电偶的校准通常称为分度。常用校准方法有固定点校准和比较法校准。固定点校准是在纯物质的熔点、沸点等固定温度点上进行的，校准精度高。对于大多数应用来说，采用比较法校准可以得到足够的精度。比较法是将被校热电偶和标准温度计（如标准热电偶，电阻温度计或玻璃管液体温度计）一起放入加热设备中，使它们感受相同温度，用高精度测量仪表测出被校热电偶的电势值，与标准温度计的输出相比较，给出被校热电偶的热电势与温度的关系以及分度误差。此法简便、经济。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity8

用于比较法分度的加热设备有管式电炉和各种不同介质的恒温槽（如水、油、丙酮、熔化盐等），各使用温度范围不同，根据校准要求选择。比较法校准的效果一般取决于能使被校热电偶与标准感温元件达到相同温度的能力，也受标准元件精度限制。校准过程中，热电偶的参比端温度必须是已知的，一般是使其保持在0℃。

（3）参比端处理方法热电偶的分度表和根据分度表刻度的测温仪表，都是以参比端温度为0℃做出的。在实际使用中，要使参比端保持在0℃常常是很困难的。为了保证测量精度，需要对参比端采取适当的处理方法。

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a．参比端保持在0℃纯净的冰屑和水混和在一起，达到热平衡时即为0℃。这种方法可以使接点温度误差非常微小.但是，如果使用不当，可能造成严重误羞。最大的误差是由于冰熔化使参比端在冰层之下而仅仅被水包围所引起的，接点周围温度可能达4℃。这种方法主要用于实验室精密测量。在试验现场使用很麻烦，并且由于周围环境影响，很难保证恒定在0℃。目前已制造出一些能保持在0℃的自动恒温装置。b．参比端保持在非0℃的恒定温度为了使热电偶参比端保持在某一恒定温度，可采用各种恒温装置，如电加热的恒温箱、装填绝热物的铁盒、充满变压器油的保温瓶等。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity10

采用带有温控系统的电加热恒温箱，可以达到很好的恒温效果。为了获得足够的温度精度，需配备较为复杂的控制系统。通用的恒温箱精度为0.05～0.1℃。推荐使用的参比端温度高于周围环境温度，典型的为66℃。此外，还应保证恒温箱内温度的均匀性。

装填绝热物或充满变压器油的恒温器，不需电加热设备和复杂的控制系统，在试验现场使用简便易行。对于固体火箭发动机试验，工作时间短，可以获得满意的恒温效果。当参比端保持在某一非0℃的恒定温度时，其测量结果与参比端为0℃时相差一个固定值，需要进行修正，其方法有两种：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity11

一是热电势修正法。首先按照所用热电偶的分度表，查出参比端对应的热电势。然后根据中间温度定律，用下式计算：

（6-19）式中t—测量端温度（℃）；—参比端温度（℃）；—热电偶分度时的参比端温度（℃），此处为0℃；—参比端温度为，被测温度为时对应的热电势；—测量所得电势，即测量端温度为，参比端温度为对应的热电势；—由分度表查出的参比端温度所对应的热电势。最后，由对照所用热电偶的分度表，求出被测温度的值。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity12

二是温度修正法。这是一种近似修正法。此法不需要将参比端温度换算为电势，而是直接用温度计算，公式为

（6-20）式中—由测量所得的电势对照分度表得出的温度（℃）；—修正系数，其值决定于所用热电极材料及被测温度，对于热电特性近似为线性的热电偶，。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity13

c．补偿导线

补偿导线又称延长导线。补偿导线是由两种金属材料组成，在一定的温度范围内，它们与所配用的热电偶其有相同的热电特性。使用时，分别将这两种导线与热电极连接起来，再引至某一恒定温度处tn（见图6-24）。这样，回路中的总热电势只与测量端温度t和补偿导线与传输导线连接处的温度tn有关，而与补偿导线与热电极连接处的温度无关，这就相当于把热电极延长了。tn当不为0℃时，应按b中所述方法修正。使用补偿导线时应注意：1）各种补偿导线只能配一定热电极材料的热电偶，且只能在规定的温度范围内使用；2）补偿导线与热电偶连接时，必须正、负极分别相对应，且两个连接点必须处于同一温度。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity14

（4）热电偶的安装热电偶的安装方法对测量结果起着重要作用。引起热电偶测温误差的原因有热电偶本身性能、测量仪器的精度、测量线路影响、由安装带来的误差等。精心选择性能优良的热电偶和高精度的测量仪器，并合理地连接整个电测系统，则由热电偶、测量仪器和连接线路所产生的误差相对于热电偶安装造成的误差来说是非常小的。用热电偶测量表面温度的关键问题是至今还没有一种能保证测量出表面真实温度的比较理想的安装方法。热电偶安装到被测表面后，测量端附近的表面将通过导热把热量传递给热电极而散失到周围介质中。这样，由于沿热电极导热的影响破坏了被测表面的温度场，热电偶所指示的温度并不是被测表面的真实温度，这就产生了误差。这种误差是导热误差，可用安装系数表示。实际的测量误差与最大可能出现的误差之比，称为安装系数，用下式表示CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity15式中—安装系数；—被测表面真实温度；—热电偶测得的温度；—被测表面周围介质温度。在给定工况下，愈小测温准确度愈高。的大小与热电偶材料、尺寸、安装方式、被测表面状态以及周围环境等因素有关。其值可由理论计算获得，但如果要求准确值，则应通过实验来确定。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity16辐射误差是由于热电偶测量端与周围环境之间的辐射换热，使热电偶测出的温度偏离被测表面温度而产生的误差。为了减小导热误差的辐射误差，在安装热电偶时采取以下措施：1）采用沿等温线敷设的方法来安装热电偶。热电偶的测量端与被测表而直接接触后，热电极再沿表面等温线敷设至少50倍热电极直径的距离后再引离表面，热电极与被测表面用绝缘材料隔开。2）对于导热性差的被测表面（例如非金属复合材料），先将热电偶的测量端与导热性能良好的集热片（如铜片）焊接在一起，然后再与被测表面接触。3）热电偶安装到被测表面上后，采取绝热防护措施，例如用石棉布、玻璃纤维布等覆盖，或加隔热屏蔽罩，以减小热电偶测量端与周围环境的传热和辐射换热带来的误差。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity17

热电偶测量表面温度的安装方法，对于薄壁，可采用焊接、压紧和粘贴，以焊接安装为最好；对于厚壁，可用壁面开槽埋设，并用填充物（如耐热水泥、钎料等）填平，再将表面打光。发动机上通常不允许焊接或开槽，也不易压紧。所以，热电偶用于测量发动机表面温度时，最常用的安装方法是粘贴，在有的情况下也可以用压紧。（5）测量系统温度测量系统组成如图6-25所示。热电偶为自源式传感器，其输出为几百微伏至几十毫伏，经放大后由数据采集与记录设备记录。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity18温度测量系统可采用温度量校准或电量校准。

温度量校准是采用一定的加热设备在所测温区内对热电偶连续或定点加热，来对包括热电偶在内的整个测量系统进行校准，以确定测量系统的输出与被测温度的对应关系。其校准方法与热电偶校准相似。用温度量校准可以修正包括热电偶本身误差在内的系统误差，得到较高的测量精度。在试验现场对热电偶加热很麻烦，也难以实现。并且由于校准过程需时间长，不易保证测量时的环境条件与校准时相同，会带来误差。因此，在试验现场通常采用电校准法。电校准法是用精密直流电压代替在给定温度下热电偶所产生的热电势，接入测量系统来完成校准（见图6-25）。此法简单方便，缺点是不能对热电偶的热电特性进行校准。通常的做法是事先在实验室对热电偶进行校准或校验，试验时只对测量系统进行电校准即可。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity19CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity6.6.2热电阻测温（1）电阻温度计电阻温度计是利用导体或半导体的电阻与温度成一定函数关系的特性制成的测温元件。与热电偶相比，主要优点是灵敏度高，测量精度高，不需冷端补偿；缺点是体积较大，反应速度慢。大多数金属材料具有正的电阻温度系数（表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化

），而半导体材料具有负的电阻温度系数。对制造电阻温度计的材料，要求具有尽可能大而稳定的电阻温度系数和尽可能大的电阻系数，并能承受一定的温度。固体发动机试验中常用的有铂电阻温度计和铜电阻温度计两种。铂电阻的测量精度很高，能在很宽的温度范围内使用，并可做得体积很小。铜电阻价格便宜，一般测量中多被采用。其缺点是精度不高，测温范围窄，热惯性大。20

（2）热敏电阻（利用的原理是温度引起电阻变化

）热敏电阻与金属导体热电阻比较有以下优点：1）有很大的负电阻温度系数，因此灵敏度很高，是金属热电阻的8～10倍；2）体积小，热容量小，可用于测量“点”温度和快速度化的温度；3）制造工艺比较简单，价格便宜。其缺点是互换性差，精度低，非线性大，性能不稳定，使用温度范围窄。（3）测量电路

热电阻温度计的电阻与温度成一定的对应关系，确定电阻的值就可以相应地得到所测温度值。测量电阻的方法都可用于热电阻温度计的测量电路。常用的有三线制恒压源电路和四线制恒流源电路两种。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity21

（4）测量系统的校准电阻温度计测温系统的校准通常采用电校准法。将传感器从测量系统中断开，用一个精密电阻器代替传感器接入系统来完成校准。精密电阻器的阻值按照预定的测温范围和所用传感器的电阻-温度特性来确定。6.6.3感温元件的热惯性与动态误差采用接触法测温时，都是将温度传感器与被测物体接触，利用热传导使二者的温度达到平衡来进行测量的。由于达到热平衡需要一定的时间，测温仪器并不能立即反应出被测温度，而有一段滞后时间，这就产生了动态误差。产生动态误差的因素有：感温元件的比热、导热系数、体积和受热面积；被测介质的热容量、导热系数与流动情况；测量仪表的滞后等。在一般情况下，感温元件的热惯性影响最大。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity22克服动态误差的方法，一是通过理论计算和实验测量确定动态误差范围，对实际测量数据进行修正；二是采取各种可能措施，将动态误差减小到允许范围之内。根据推导，感温元件瞬时温度（℃）与被测介质温度（℃）之间的关系用下式表示

（6-22）式中—感温元件的初始的温度（℃）；—时间；—感温元件的时间常数。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity23

时间常数不仅与感温元件的结构、尺寸和材料有关，而且在不同的情况下，感温元件的放热系数、比热和尺寸都可能不同，很难准确地得到的瞬时值。为了减小动态误差，可选择导热系数大的材料，使用比热、密度和体积均小的感温元件，增大感温元件与被测表面的接触面积，以及采取其他增大放热系数的措施。6.6.4非接触式测温采用非接触法测温时，在温度参数的检测过程中，检测元件与被测对象互不接触，因此可以对高温对象、热容量小的对象、热接触困难或不希望扰乱其温度分布的对象以及运动体等的温度进行测量，同时还可以实现快速测温和测量表面温度的分布。

辐射温度计是非接触式测温计中的一类，本节简单介绍光学高温计和热像仪。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity24

（1）光学高温计光学高温计是使用最早的辐射温度计。它是利用受热物体在某一特定波长下的光谱辐射能量的大小与该物体温度之间存在一定的关系来进行测温的，物体在高温状态下会发光，其亮度与辐射强度成正比，所以受热物体的亮度反映了物体的温度。直接测量物体的亮度是困难的，一般都是采用比较法。比较法是利用一已知温度的亮度与被测物体亮度进行比较来确定被测温度的。光学高温计结构简单，使用方便，测量范围宽（700～3200℃）。其主要缺点是人的主观因素对测量结果影响较大，并且不能实现快速测温和自动记录。使用光学高温计时，测量距离应保持在0.7～5m之内。影响测量精度的主要因素