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    總結分析不同熱電偶溫度傳感器的安裝工藝及適用條件

    來源:www.jz82524.com作者:發表時間:2017-10-09 09:08:26

             摘要: 固體火箭發動機地面試驗需測量發動機各部組件在工作過程中的溫度數據, 驗證各部組件防熱結構設計有效性。 目前在固體火箭發動機地面試驗中主要采用熱電偶溫度傳感器進行溫度參數測量, 由于發動機各部組件外形尺寸各異,工作過程中溫度范圍跨度大( 0~800℃ ),有強腐蝕、強電離的復雜環境,因此必須針對具體情況采用不同的溫度傳感器安裝工藝。 針對幾種熱電偶溫度傳感器表面測溫的安裝工藝,對比分析溫度數據,總結不同安裝工藝的適用條件,為今后固體火箭發動機地面試驗熱電偶溫度傳感器的使用提供參考。

     
            在固體火箭發動機地面試驗中,各部組件表面溫度是發動機防熱結構的重要表征參數之一,因此對溫度測量的精度和頻響有較高要求。 熱電偶溫度傳感器具有安裝方式靈活、無需供電、測溫頻響高、測溫精度適中、價格低廉等優點,目前在固體火箭發動機地面試驗中廣泛使用。 針對不同的使用條件,熱電偶溫度傳感的安裝方式不同,本文針對熱電偶對試件表面測溫的各種安裝方式適用條件及其對測溫數據的影響進行討論分析。
     
    1 安裝工藝方法介紹
            目前熱電偶溫度傳感表面測溫的安裝方式有多種, 主要有點焊法、直接粘接法、絕緣粘接法和捆綁法。
    1.1 點焊法
            點焊法一般用于金屬試件長期溫度檢測, 其優點是測溫范圍大,測溫響應快,無電磁干擾情況下測溫精度高,安裝連接可靠;缺點是安裝復雜,對測量環境要求高(要求試件與大地絕緣,附近無強電磁環境),適用范圍?。ū粶y金屬材質必須與熱電偶材質相匹配)。
     
            安裝方法: 對試件測溫位置打磨,用丙酮棉球清洗,用熱電偶焊機將熱電偶測溫頭直接點焊到試件測溫位置上, 如圖1 所示。
    點焊法熱電偶安裝示意圖
    1.2 直接粘接法
            直接粘接法一般用于金屬或非金屬試件短時溫度檢測,與點焊法相似其優點是測溫響應快, 無電磁干擾情況下測溫精度高,安裝快速方便,可對各種材質試件進行溫度測量;缺點是測溫范圍有限(受限于膠帶或粘接劑的耐溫范圍),安裝工藝會影響測溫頻響,對測量環境要求高(要求試件與大地絕緣,附近無強電磁環境)。
     
    安裝方法:對試件測溫位置打磨, 用丙酮棉球清洗,用膠帶或粘接劑將熱電偶測溫頭直接粘到試件測溫位置上,如圖 2 所示。
    直接粘接法熱電偶安裝示意圖
    1.3 絕緣粘接法
            絕緣粘接法一般用于各種試件短時溫度測量,其優點是對測量環境要求不高,抗干擾能力強,安裝快速方便,可對各種材質試件進行溫度測量;缺點是相對點焊法測溫頻響低,測溫范圍有限制(受限于膠帶或粘接劑的耐溫范圍)。 注:目前一般采用高溫膠帶,耐高溫達 300℃ 。
     
            安裝方法:對試件測溫位置打磨,用丙酮棉球清洗,先用膠帶或粘接劑在試件上絕緣導熱襯底,再用膠帶或粘接劑將熱電偶測溫頭直接粘到試件襯底位置上,如圖 3 所示。
    絕緣粘接法熱電偶安裝示意圖
    1.4 捆綁法
            捆綁法一般用于較細直徑的圓柱形試件溫度測量, 其優點是測溫范圍大,對測量環境要求不高,抗干擾能力強,安裝較為方便,可對各種材質試件進行溫度測量;缺點是相對前三種方法測溫頻響低。
     
            安裝方法:用丙酮棉球對試件測溫位置清洗,先用薄云母片將熱電偶測溫頭包裹,再用細鐵絲或專用捆扎工裝將薄云母片捆綁固定在試件測溫位置上,如圖 4 所示。
    捆綁法熱電偶安裝示意圖
    2 安裝工藝方法測溫數據比較分析
            不同工藝方法對溫度測量的精度、 頻響產生的影響不同, 本文通過在實驗室對比分析其各項性能指標,為今后在固體火箭發動機試驗的實際應用提供參考。
     
    2.1 安裝工藝對比實驗方法
            溫度測量工藝對比實驗組成部分主要包括熱源、試件、溫度傳感器、測量儀器 [ 2 ] ,如圖 5 所示。
    溫度測量對比實驗構成示意圖
            熱源:沸水(根據海拔高度,本地沸水溫度為 98.8℃ );
            試件:銅箔筒(直徑 Φ90mm ,高 200mm );
            溫度傳感器: K 型熱電偶(銅 - 康銅熱電偶);
            測量儀器: NI PXI-6229 。
     
            對比實驗方法是將同一批相同材質的 4 個熱電偶傳感器,采用四種不同的安裝工藝方法安裝在銅箔筒上 (銅箔導熱快速均勻,因此近似認為銅箔筒相同高度的截面為等溫區), 再將銅箔筒快速放置在沸騰的水中(根據海拔高度, 本地沸水溫度為 98.8℃ ),同時測量 4 路溫度數據,對比分析各路頻響及穩定后的溫度精度,如圖6 所示。
     對比實驗方法示意圖
    2.2 對比實驗數據分析
            通過多次實驗四種熱電偶安裝方法測溫響應有差異(如圖 7 所示),其中點焊法和直接粘貼法測溫響應最快,在 10~70℃ 范圍內其平均溫升速率達到 5.2℃/s ; 其次是絕緣粘貼法, 平均溫升速率為4.5℃/s ;響應最慢的是捆綁法,平均溫升速率為 4.0℃/s 。 由于實驗條件有限,本實驗溫升速率僅用于四種熱電偶安裝方式特性對比。
     四種熱電偶安裝方法測溫溫升曲線和高溫平穩后溫度曲線
            經計算本地理論沸水溫度為 98.6℃ ,通過多次實驗四種熱電偶安裝方法測溫誤差較?。ㄈ鐖D 8 所示),溫度平衡后四種方法的測溫平均值及誤差見表 1 。
     測溫數據對比表
            由表 1 可看出點焊法的測溫特性最好,溫升響應快,測溫誤差??;直接粘貼法溫升響應快,測溫誤差較大;絕緣粘貼法溫升響應較慢,測溫誤差較大;捆綁法溫升響應最慢,測溫誤差較大。通過實驗對熱電偶安裝方法對比分析, 可看出四種方法各有利弊:
     
            1 )點焊法:適用于與熱電偶材質相匹配的金屬試件長期溫度檢測,優點是測溫范圍大,測溫特性好,缺點是安裝復雜,對測量電磁環境要求高。
            2 )直接粘貼法:適用于短時溫度檢測,優點是測溫特性好,安裝簡單,缺點是粘接膠帶限制了測溫范圍,對測量電磁環境要求高。
            3 )絕緣粘貼法:適用于短時溫度檢測,優點是抗干擾能力強,安裝簡單,測溫特性較好,缺點是粘接膠帶限制了測溫范圍。
            4 )捆綁法:適用于長期溫度檢測,優點是測溫范圍大,抗干擾能力強,測溫特性較好,缺點是受試件限制安裝復雜。
     
    3 結束語
            絕緣粘貼和捆綁測溫方法比較適合固體火箭發動機地面試驗復雜的測試環境中使用, 絕緣粘貼法適用于 300℃ 以內的測溫范圍,捆綁法適用于 700℃ 以內的測溫范圍。
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