热电偶测温线路并联备份工艺研究

0    引言

近年来 , 随着我国航天事业的发展 ,运载火箭高 密度发射 ,各种新型号发动机的研制、试验进入高峰 期。在火箭发动机试验 ,尤其是考核试验件可靠性的 抽检试验中 ,温度测量是关于发动机性能的重要参 数之一 。热电偶具有结构简单、使用方便、测温范围 广等特点 , 因而成为火箭发动机试验中最普遍的温 度测量手段。然而 ,在试验过程中 ,产品所处的力、热 环境非常恶劣 , 热电偶丝材制作的温度测点容易脱 落、折断。此外 ,在某些试验中 ,测点失效后不具备修 复的条件 ,将造成参数无法获取 。因此 ,有必要对热 电偶温度测量系统进行工艺改进 ,提高试验测量系 统的可靠性。

1   热电偶温度测量现状

热电偶温度测量为接触法 ,主要根据热平衡原 理 , 两个物体接触后 , 经过足够长的时间达到热平 衡 , 则它们的温度必然相等 。试车台主要使用T型 (铜、康铜)、K型热电偶(镍铬、镍硅)两种热电偶传感 器。T型热电偶测温范围为-200~400 ℃,K型热电偶 测温范围为0~1 300 ℃ 。传统热电偶温度测量接线 原理如图1所示 ,试验件待测温度t1、t2处 ,两个热电极 及屏蔽线延引至转接件 ,然后利用同型号温度补偿 导线连接参考端t0 (0 ℃的冰水混合物),并通过主电 缆传输到数据采集系统[1]。

使用传统的测温线路时 ,每个温度测点只有 一 个测温支路对应。在试验准备期间 ,先把热电偶丝材去掉绝缘层后熔球或绞合 ,制作成温度传感器 ,再通过粘贴或点焊的方式固定在试验件表面 。由于在发动机点火过程中 ,发动机燃烧产生高温以及剧烈振动 ,温度测点存在脱落、折断等风险 。尤其是在发动机进行高空模拟试验时 ,发动机以及温度测点处于密闭的真空舱中 ,失效后开舱修复代价很高 。此外 ,在某些推进剂贮箱在轨蒸发试验中 , 热电偶测点先布置在贮箱内部 ,再对贮箱进行焊接密封 ,这些测点 一旦损坏 , 就无法修复 , 关键温度参数测点无法获 取 ,将对试验造成不良影响。

2   测温线路并联备份连接方式的应用

针对传统测温线路单路测点存在失效风险的缺 点 ,可以采用多路测点同时测量的方法 ,利用冗余来 降低单点失效的风险 ,然而占用的资源和成本会成 倍提升 。因此 ,在传统测温线路的基础上 ,本文对测 温线路前端传感器的并联备份连接方式进行了研 究 ,其原理如下:

将n支同型号热电偶的正极和负极分别连接在 一起的线路称为并联线路。如果n支热电偶的电阻值 均相等 , 则并联测量线路的总电动势等于热电偶电 动势E1,E2,… ,En 的平均值E[2] , 即 :

并联线路常用来测量温度场的平均温度 , 并联 线路的热电动势虽小 ,但测量值的平均值是期望值 的最佳估计值 ,通常在多次测量中总是用算术平均值作为测量结果。为了得到测量结果 的不确定度 , 需 要知道子样算术平均值的标准差δx^- ,子样算术平均值x也是随机变量 ,服从正态分布。概率论证明 , 当子 样数据列的标准差为δx^- ,子样容量为n时 , 则子样算术平均值x^-的标准差为:

由上式可知 , 原数列的标准差是算术平均值标 准差δx^-的 √ n 倍 ,所以并联线路其相对误差仅为单 支热电偶的1/√ n ,而且当某支热电偶断路时 ,测温 系统可以照常工作。

在实际温度测量系统中 ,把传统方式每一路温 度测点使用单独的正负2个热电极 ,改为每一路温度 测点在前端并联一路甚至多路同型号热电偶的正负 2个热电极。并联位置在热电偶传感器与热电偶补偿 导线连接处 ,并联热电偶测点互相为备份测点 。图2 为热电偶并联备份测温线路示意图 。根据热电偶并 联备份测温线路原理分析可知 , 当测点某一支路热 电偶断路时 ,测温系统照常工作 ,确保了试验参数获 取率 ,提升了试验可靠性 。因为并联的仅仅是前端长 1~2 m的一小段热电偶传感器 , 与数十上百米的测 量电缆相比 ,并联备份既不占用测量通道资源 ,实现 成本也很低。

需要注意的是 , 当采用并联备份测温线路连接 方式时 ,测得的实际上是2个测点的平均温度 , 因此 测点应当固定在试验件同一位置且尽可能靠近。

3    试验验证

3.1    并联备份测温线路测温试验

为了验证并联备份测温线路的有效性 , 根据 图1、图2分别制作T型 、K型热电偶传统测温线路和 并联备份测温线路 ,共计有四种测温连接方式。测温 线路原理框图如图3所示。

搭载并联备份试验装置如图4所示 ,测点对应名 称如表1所示。

将热电偶温度测点T1、T2、K1、K2 固定于试验测试  件同一表面位置 ,并置于恒温箱中 ,恒温箱初始温度  设置为0 ℃ ,0—50 s时间区间恒温箱设置为100 ℃ ,  60—110 s时间区间恒温箱设置为50 ℃ , 120—170 s  时间区间恒温箱设置为200 ℃ 。采集系统记录 ,对4个  测点取恒温时间区间内15 s的数据进行平均值计算。 T型热电偶温度测试结果曲线如图5所示 ,K型热电  偶温度测试结果曲线如图6所示 ,温度测试结果数据比对如表2所示。

通过图5、图6实时动态曲线对比可以看出 ,T、K 型热电偶单路测温与并联备份测温线路记录曲线最大相差1 ℃ 。通过表2静态数据分析可以看出 ,T型热 电偶单、双路最大测温相差0.42 ℃ ,K型热电偶单、双 路最大测温相差0.49 ℃ ,符合热电偶± 1.5 ℃的测量 允差范围。

3.2    并联备份测温线路模拟断路试验

采用并联备份测温线路 , 当某支路热电偶断路 时 ,测温系统照常工作 ,可以有效降低关键温度测点 失效的风险 。为模拟并联备份线路某一支路断路的现象 ,在记录时间120 s左右手动剪断T2 并联备份测 温线路某一支路 ,如图7所示。图8为并联备份模拟断 路温度测试的试验结果 ,其中T1为传统单路测温连接 方式 ,T2为并联备份测温连接方式。从曲线可见 ,并联 线路的某一支路断路后 , 曲线经历干扰毛刺后瞬间 恢复正常 ,与剪断前测温结果无差异 ,起到了很好的 冗余备份效果[3]。

4    应用效果

某型号发动机高空模拟试验中应用并联备份测 温线路 ,测量出的温度曲线如图9所示 ,其中Thb1为 并联备份测温连接方式。由图可知 ,并联备份测温曲 线平滑无干扰 ,变化趋势与另外3个温度测点单路传 统测温连接方式一致 ,充分说明了并联备份测温线 路的有效性。

5    结论

使用并联备份测温线路 , 以较低的成本 ,实现了 热电偶温度测点的冗余 ,确保了试验的可靠性。根据试验结果 , 并联备份测温线路与单路测温线路测量 温度的差异在热电偶测量允差范围之内 。模拟并联 备份测温线路某一支路断路 ,测温线路仍能正常工 作 。并联备份测温线路连接方式有效降低了火箭发 动机试验、推进剂贮箱在轨蒸发试验等热电偶温度 测量系统的关键测点失效风险 ,提高了试验测量系统的可靠性。

[参考文献]

[1]  王魁汉.温度测量实用技术[M].北京:机械工业出版社 , 2007.

[2]  樊尚春.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学 出版社 ,2004.

[3]  张迎新 , 雷道振 , 陈胜 ,等 . 非电量测量技术基础[M]. 北 京:北京航空航天大学出版社 ,2002.

《机电信息》2025年第12期第21篇