安萬(wàn)慶，柳曉寧，趙翔宇，朱 熙（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

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鎢錸熱電偶在航天器真空熱試驗(yàn)中的應(yīng)用

安萬(wàn)慶，柳曉寧，趙翔宇，朱 熙
（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

摘要：目前國(guó)內(nèi)在航天器熱試驗(yàn)溫度測(cè)量方面還沒(méi)有開(kāi)展超過(guò)1400℃的超高溫測(cè)量技術(shù)研究。文章基于航天器熱試驗(yàn)常用熱電偶測(cè)溫原理，分析了鎢錸熱電偶的結(jié)構(gòu)及制造工藝，并搭建一套熱試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)以驗(yàn)證其在航天器真空熱試驗(yàn)溫度測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析表明，在真空低溫環(huán)境下鎢錸熱電偶能夠?qū)崿F(xiàn)1600℃溫度測(cè)量。

關(guān)鍵詞：溫度測(cè)量；鎢錸熱電偶；真空熱試驗(yàn)；數(shù)據(jù)分析

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0　引言

溫度測(cè)量的方法很多，按照測(cè)量方式主要分為接觸式和非接觸式2大類。通常來(lái)說(shuō)接觸式溫度測(cè)量比較簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度較高，但因測(cè)溫元件（溫度傳感器）與被測(cè)介質(zhì)（試件）需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象；同時(shí)受到耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于高溫測(cè)量。而非接觸式測(cè)溫是通過(guò)熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度，測(cè)溫元件不需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大[1]。

隨著我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)的開(kāi)展和天地往返飛行器的研制，航天器及其組件會(huì)遇到高溫?zé)岘h(huán)境，最大熱流密度可達(dá)420個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，溫度可達(dá)1600℃。而目前國(guó)內(nèi)航天器熱試驗(yàn)尚未測(cè)量超過(guò)1400℃以上的溫度，測(cè)量傳感器的制造工藝、使用方法、安全性、可靠性、壽命等還未掌握。

本文基于常用熱電偶測(cè)溫原理，分析測(cè)溫傳感器的制造工藝及使用方法，并自行搭建測(cè)量系統(tǒng)以驗(yàn)證鎢錸熱電偶是否能夠滿足航天器熱試驗(yàn)1600℃的測(cè)量需求。

1　熱電偶測(cè)溫原理

用于航天器真空熱試驗(yàn)的測(cè)溫傳感器有熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻和二極管測(cè)溫。表1給出了上述幾種測(cè)溫傳感器的性能對(duì)比。

表1　測(cè)溫傳感器性能對(duì)比Table 1　The temperature sensor’s performance

熱電偶測(cè)溫的基本工作原理是熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng)，如圖1所示，將2種不同材料的導(dǎo)體A和B連接成閉合回路，當(dāng)2個(gè)連接點(diǎn)1與2的溫度不同時(shí)，如T＞T0，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)EAB(T, T0)，該電勢(shì)的方向和大小與這2種導(dǎo)體的性質(zhì)和接點(diǎn)溫度有關(guān)。導(dǎo)體A、B稱為熱電極，由A、B兩極焊接成對(duì)后則稱之為熱電偶。在2個(gè)連接點(diǎn)中，連接點(diǎn)1是將兩電極焊接在一起，測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，故稱之為測(cè)量端；連接點(diǎn)2處于環(huán)境中，要求溫度恒定，故稱之為參考端[2]。

圖1　熱電偶測(cè)溫工作原理Fig. 1　The principle of thermocouple

2　鎢錸熱電偶結(jié)構(gòu)及制造工藝

2.1鎢錸熱電偶特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

鎢錸熱電偶于1931年由Goedecke（戈德克）首先研制出來(lái)[3]，是19世紀(jì)60—70年代發(fā)展最成功的熱電偶。鎢錸熱電偶是一種難熔的金屬熱電偶，最佳使用溫度在2000℃左右，當(dāng)溫度高于2300℃時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)分散，最高使用溫度為2800℃。

鎢錸熱電偶的特點(diǎn)如下：

1）鎢錸熱電偶在1300℃以下晶粒尚未長(zhǎng)大，故其使用壽命很長(zhǎng)；但當(dāng)溫度超過(guò)1500℃時(shí)，其晶粒開(kāi)始慢慢長(zhǎng)大，當(dāng)晶粒長(zhǎng)到與熱偶絲直徑相當(dāng)時(shí)熱電偶會(huì)變得十分脆弱。

2）鎢錸熱電偶極易氧化，適于在惰性或干燥氫氣中使用，或用致密的保護(hù)管使其與氧隔絕才能使用，不能用于含碳?xì)夥眨ㄈ缭诤細(xì)浠衔锏臍夥罩惺褂?，溫度超過(guò)1000℃即受腐蝕）。

3）鎢或鎢錸在含碳?xì)夥罩腥菀咨煞€(wěn)定的碳化物，以致其靈敏度降低并引起脆斷，在有氫氣存在的情況下，會(huì)加速碳化。

目前國(guó)內(nèi)在測(cè)量超過(guò)1600℃的溫度時(shí)多采用非接觸測(cè)溫法，但相比于接觸法，其測(cè)量誤差較大。在接觸測(cè)溫傳感器中熱電偶比較適用于高溫測(cè)量，但貴金屬熱電偶價(jià)格昂貴且最高測(cè)量溫度也只能在1800℃，而鎢錸熱電偶不僅測(cè)溫上限高，且相對(duì)穩(wěn)定性較好。鎢錸熱電偶結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　鎢錸熱電偶結(jié)構(gòu)Fig. 2　The structure of wolfram thermocouple

2.2鎢錸熱電偶制造工藝

1）制造材料及設(shè)備：制造鎢錸熱電偶需要的材料包含鎢錸熱偶細(xì)絲、耐火泥頭、U型石英玻璃管、塑料插件、扁平補(bǔ)償導(dǎo)線、鋁帽快干水泥；主要設(shè)備包含熱端焊機(jī)、自動(dòng)恒溫烤箱、冷端焊機(jī)、攪拌器、正負(fù)極性檢測(cè)儀。

2）制造工藝：鎢錸熱偶絲的理想剪切長(zhǎng)度是31mm，溫度采集是正極和負(fù)極之間的電勢(shì)差，如果熱偶絲長(zhǎng)度太短，則熱電勢(shì)在短時(shí)間內(nèi)不易平衡[4-5]；熱偶絲越長(zhǎng)，熱電勢(shì)越容易穩(wěn)定，但熱偶的熱響應(yīng)時(shí)間會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。熱電偶的測(cè)量端露出水泥表面的高度為13mm，補(bǔ)償導(dǎo)線距水泥表面的距離為14mm，這樣才能保證熱電偶溫度快速（3s以內(nèi)）達(dá)到熱平衡。熱偶絲穿過(guò)石英管時(shí)要保證絞絲分開(kāi)處在石英管頂部正中，否則熱偶絲兩極長(zhǎng)短不齊，會(huì)導(dǎo)致熱電勢(shì)不穩(wěn)定，并影響最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)，熱電特性與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)線。使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)要注意：首先不能超出規(guī)定的溫度范圍，只有在0～100℃之間二者才有一致的熱電特性；其次極性不能接反，最后分度號(hào)須保持一致且兩極導(dǎo)線的修剪必須在同一平面上[6]。

快干水泥的絕緣性﹑熱傳導(dǎo)、強(qiáng)度、耐受等性能的優(yōu)劣同樣非常重要，直接影響測(cè)溫成敗。如果水泥內(nèi)部有氣孔就會(huì)導(dǎo)致參考端溫度升高；為了使水泥充實(shí)平整、沒(méi)有大的氣孔，在澆灌時(shí)最好是分為2次，即先澆灌一半，等待約30min，至快干水泥反應(yīng)完全后再次澆灌。烘烤后的快干水泥應(yīng)保證具備低熱傳導(dǎo)率，高強(qiáng)度下仍不會(huì)開(kāi)裂。烘烤后，補(bǔ)償導(dǎo)線和鋁帽之間的絕緣電阻阻值不能小于500M?，使用時(shí)不能小于5M??；芈冯娮璨荒艽笥??[7]。

3　真空熱試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)以C/C、C/SiC高溫復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)件為試驗(yàn)件，熱試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3　熱試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理示意Fig. 3　The sketch map of the working principle of thermal testing system

在系統(tǒng)控制策略方面以石墨作為加熱元件的輻射加熱系統(tǒng)，石墨加熱陣電氣控制系統(tǒng)為石墨加熱陣提供電能并對(duì)加熱溫度進(jìn)行控制。電氣控制系統(tǒng)包括變壓器、可控硅調(diào)控柜、鎢錸熱電偶、溫控表等，系統(tǒng)控制原理見(jiàn)圖4。

圖4　石墨加熱陣電氣控制系統(tǒng)原理Fig. 4　Schematic diagram of control system for graphite heating

在測(cè)量技術(shù)方面，鎢錸熱電偶測(cè)量超高溫時(shí)的安裝方式有粘貼、噴涂和機(jī)械固定[8]，但高溫膠難以耐受1800℃以上的溫度、高溫?zé)犭娕紘娡考夹g(shù)在國(guó)內(nèi)也尚未成熟應(yīng)用，因此試驗(yàn)中選擇機(jī)械固定方式，采用石墨螺釘將6個(gè)鎢錸熱電偶?jí)汗淘贑/C試驗(yàn)件表面，如圖5所示。試驗(yàn)分2種工況進(jìn)行。

圖5　鎢錸熱電偶固定狀態(tài)Fig. 5　The states of wolfram thermocouple fixation

3.2試驗(yàn)結(jié)果

1）工況1

工況1為驗(yàn)證程序控制能力及調(diào)試溫度控制方案，對(duì)可控硅控制器輸出開(kāi)度按照10%、20%、30%、35%、40%遞增逐步加電，如回路出現(xiàn)過(guò)流則下調(diào)控制開(kāi)度為30%，隨后斷電降溫。

圖6給出了可控硅控制器輸出開(kāi)度由10%調(diào)整至40%期間的溫度變化曲線。圖7為從高溫端開(kāi)始降溫的溫度變化曲線，其中3號(hào)、6號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)失效現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在第1次加電期間，在溫度超過(guò)1900℃后，由于3號(hào)、6號(hào)測(cè)點(diǎn)位于加熱器前端封口位置，漏熱量較大，對(duì)熱電偶絕緣性造成影響，因此這2個(gè)測(cè)點(diǎn)失效，測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生跳變。

圖6　工況1溫度上升曲線Fig. 6　The curves of temperature rising in Case 1

圖7　工況1溫度下降曲線Fig. 7　The curves of temperature dropping in Case 1

2）工況2

工況2將可控硅控制器輸出直接調(diào)整為工況1摸索出的40%開(kāi)度，直至熱電偶測(cè)量溫度達(dá)到1600℃，隨后斷電降溫。圖8為試驗(yàn)件溫度上升及下降曲線，其中2號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)已失效。

試驗(yàn)過(guò)程中，在加電12min以后，溫度由700℃左右升至2100℃左右，試驗(yàn)溫度超過(guò)1800℃，各測(cè)點(diǎn)高溫端溫度曲線如圖9所示。從圖中可看出：1號(hào)測(cè)點(diǎn)高溫端溫度雖然未發(fā)生大幅度跳變，但與4、5、6號(hào)測(cè)點(diǎn)相差較大，4、5、6號(hào)測(cè)點(diǎn)在最高溫度區(qū)一致性較好；6號(hào)測(cè)點(diǎn)在較低溫區(qū)和1、4、5號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度偏差較大；在溫度升至2110℃時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)測(cè)量溫度驟降。分析其失效原因可能是：采用機(jī)械固定工藝方式的熱電偶在經(jīng)歷高溫試驗(yàn)溫度超過(guò)1800℃時(shí)發(fā)生斷裂。

圖8　工況2溫度上升及下降曲線Fig. 8　The temperature rising and dropping in Case 2

圖9　測(cè)點(diǎn)高溫端溫度曲線Fig. 9　The temperature curves at the high temperature part

3.3小結(jié)

經(jīng)過(guò)2種工況的試驗(yàn)測(cè)試，雖然在溫度超過(guò)1800℃時(shí)會(huì)由于絕緣保護(hù)裝置和固定方式等問(wèn)題發(fā)生溫度驟降、測(cè)溫點(diǎn)失效的現(xiàn)象，但鎢錸熱電偶完全可以滿足1600℃及以下的測(cè)溫要求，且性能穩(wěn)定。

圖7的6個(gè)測(cè)點(diǎn)中，2個(gè)測(cè)點(diǎn)失效，失效率為1/3；在圖9的4個(gè)測(cè)點(diǎn)中，上升段中3個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)非穩(wěn)定工作狀態(tài)（占3/4）。分析其原因可能是：1）在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，對(duì)鎢錸熱電偶裸絲擰制了熱電偶接頭后，利用氬弧焊實(shí)現(xiàn)熱電偶頭制作，但是加工質(zhì)量和工藝較差，無(wú)法保證傳感器的測(cè)溫穩(wěn)定性；2）在熱電偶的固定方式上，由于試驗(yàn)溫度過(guò)高，膠粘技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)（現(xiàn)有高溫膠只能耐受800℃以下溫度，國(guó)內(nèi)高溫試驗(yàn)領(lǐng)域尚未見(jiàn)到成熟應(yīng)用案例），所以在試驗(yàn)中只能采取穩(wěn)定性較差的機(jī)械安裝方式。因此，若要在航天工程中實(shí)際應(yīng)用鎢錸熱電偶進(jìn)行高溫測(cè)量，還需提高熱電偶制造工藝及熱噴涂固定技術(shù)。

3.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析

溫度越高，鎢錸熱電偶的校準(zhǔn)過(guò)程引入的不確定度也越大，因此選擇1500℃作為對(duì)其進(jìn)行不確定度評(píng)定的溫度[9]。

3.4.1由參考點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的不確定度分量

經(jīng)檢定合格的、在有效期內(nèi)的鉑銠電阻在1500℃時(shí)的擴(kuò)展不確定度溫度為3.3℃，且認(rèn)為是正態(tài)分布，包含因子k=2.58，則：

U1T（1500℃）=3.3℃/2.58=1.28℃；

U1（1500℃）=0.00145mV。

3.4.2數(shù)據(jù)采集設(shè)備引起的誤差

數(shù)據(jù)采集使用的是Agilent 4411數(shù)字多用表，其額定量程為0～100mV，最大誤差＜(讀數(shù)× 0.005% +量程×0.0035%)，按均勻分布取測(cè)量數(shù)據(jù)最大值參與計(jì)算可得：

3.4.3保護(hù)套管內(nèi)外溫差的影響

由于采用陶瓷保護(hù)套管，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，壁厚為1mm的套管在溫度為1500℃時(shí)的內(nèi)外溫差小于3℃，按均勻分布考慮，則：

引入各不確定度分量的因素互不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc為

計(jì)算得到Uc（1500℃）=1.52℃，取包含因子k=2，其擴(kuò)展不確定度為U（1500℃）=k×Uc=2×1.52℃= 3.04℃。

3.4.4提高測(cè)量精度的方法

通過(guò)以上不確定度的分量分析，可以總結(jié)出以下提高鎢錸熱電偶測(cè)量精度的方法：1）增加參考端保護(hù)裝置的致密性；2）提高熱電偶的安裝工藝方法的穩(wěn)固性；3）提高數(shù)據(jù)采集儀器的準(zhǔn)確度；4）改善鎢錸熱電偶制造工藝[10]。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文首先從理論角度分析了航天器熱試驗(yàn)常用熱電偶及其測(cè)溫原理，隨后對(duì)可用于航天器熱試驗(yàn)高溫測(cè)量的鎢錸熱電偶的結(jié)構(gòu)及制造工藝進(jìn)行分析。通過(guò)鎢錸熱電偶空芯密封穿艙及超高溫絕緣處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了其在真空熱試驗(yàn)下的超高溫測(cè)量，驗(yàn)證了其性能指標(biāo)。結(jié)果表明，鎢錸熱電偶能夠滿足未來(lái)航天器真空熱試驗(yàn)超高溫度測(cè)量的需求，解決了國(guó)內(nèi)航天器熱試驗(yàn)在超高溫度測(cè)量方面的難題。

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（編輯：張艷艷）

The application of wolfram thermocouple in spacecraft thermal test

An Wanqing, Liu Xiaoning, Zhao Xiangyu, Zhu Xi
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:The temperature has not exceeded 1400℃ in the spacecraft thermal test in our country. Based on the principles of the commonly used thermocouple, the structure and the manufactural techniques of the wolfram thermocouple are analyzed, and a measurement system is developed. The application results of the wolfram thermocouple in a spacecraft vacuum thermal test show that it can meet the temperature measurement requirement of 1600℃ in the vacuum thermal environment.

Key words:temperature test; wolfram thermocouple; vacuum thermal test; data analysis

作者簡(jiǎn)介：安萬(wàn)慶(1987—)，男，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)楹教炱鳝h(huán)境試驗(yàn)測(cè)控技術(shù)。E-mail: wanqing5010@126.com。

基金項(xiàng)目：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研發(fā)項(xiàng)目“真空熱試驗(yàn)極高熱流模擬技術(shù)研究”

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2016-03-16

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.014

中圖分類號(hào)：TH811; V416.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-1379(2016)01-0189-05