热电偶在航空发动机燃气温度误差分析

摘要:热电偶是科研与工业生产中最常用的测温元件之一，其主要特点包括装配简单、测量范围大、使用寿命长等。本文详细介绍了热电偶在航空发动机温度测量中的误差种类,并分析可能产生的影响，以及探讨了误差的处理方法。
　　在工业生产以及航空、航天等领域的研究、生产、试验和应用过程中，常常会遇到气流(燃气流)测温问题。比如，在航空发动机研制过程中，需要测量进气道、压气机、燃烧室、涡轮和加力燃烧室等位置的气流温度，一般情况下，选择热电偶对航空发动机的各部分进行温度测量。
　　热电偶测温的基本原理是热电效应，即两种不同的导体(或半导体)两端接合组成回路，当两个结合点的温度不同时，会在回路产生热电势，即塞贝克电势，这一现象称为热电现象。用它进行温度的测量是通过依赖所产生热电势与两个接点温度差之间的--定关系来实现的。
1误差的种类和分析
　　热电偶测量气流温度时，在热平衡条件下，由于传热、气动和温度的动态变化等原因，浸在气流中热电偶接点的温度与气流温度之间存在着偏差，这个差值就是温度测量的导热误差、辐射误差和速度误差之和"，故其指示温度只是热电偶测量端本身的温度,而不是被测气流的温度。
1.1导热误差
　　用热电偶测气体温度时，其测量端除了要与被测气流进行热交换外，还要向热电偶温度较低的根部以及底座传热，故测量端的温度就要降低。热电偶测量端向外界传递热量越剧烈，其温度偏离气流温度就越大，这种因热电偶传热所导致的误差就是导热误差。
　　用于航空发动机上的高温热电偶只要保证测量端部冷气不泄露，且其冷量为最低量，其导热误差可忽略不计。原因包括以下几点:
1)根据裸丝热电偶导热误差会随Ud(L为偶丝伸出长度，d为偶丝直径)的增加而减少的试验结果，可知:当L/d=20，电磁干扰Re>1500时，导热误差近似为零。将试验数据加以推广,航空发动机上的热电偶L/d>50，且使用环境的Re>>1500，故导热误差很小:
2)其选择罩的材料导热系数很小，这将使导热热阻增大，导热误差减小;
3)屏蔽罩的设计采用屏蔽结构，罩内流速不减，罩内的热接点具有很强的对流换热，所以其导热误差很小。
　　因此，在测量航空发动机内部温度时，可以认为其导热误差△Tc约为0。
1.2辐射误差
　　辐射误差是热电偶与其周围环境之间辐射换热的结果。由于发动机中的气体是透明体，所以热电偶测量端与气流之间的辐射换热可以忽略不计。为简明起见，假定气流为稳态，且忽略热电偶的导热，则测量端的辐射误差为网:
 
　　其中，ε为测量端黑度系数;C0为绝对黑体的辐射系数;α为对流换热系数;Tj为热电偶感受的温度;Tw为屏蔽罩的壁温。
　　原则上，凡是能增强对流换热和减弱辐射换热的因素，都可以用来减小辐射误差。由上式可以看出，减小辐射误差的具体方法有:
1)减小测量端与其对应壁面的温差，最简单有效的方法就是对测量端加装屏蔽罩。
2)增大换热系数a,如增加流过测量端、屏蔽罩的气流速度，减小热电极直径等。
3)减小黑度ε。
1.3速度误差
　　速度误差是气体动量没有完全恢复的结果。气流流经热电偶测量端时，由于气体有粘性，所以在附面层内气流将被滞止，从而使动能转化为热能，引起附面层内静温升高，并在附面层内产生温度梯度网，同时，紧贴测量端壁面的那部分高温气体又会向温度较低的外层气体传热。当气流滞止引起气体温度上升与附面层内传热引起气体温度下降这两种过程达到热平衡时，在测量端与外界完全绝热的情况下，测量端壁面与紧贴壁面的那部分气体将达到某-平衡温度，称为气流的有效温度用。气流总温7*与气流的有效温度Tg之差就是速度误差。在航空发动机中速度误差可以用如下公式求算:
 
　　其中，r为速度恢复系数;M为气流马赫数;k为绝热系数。
2结束语
　　温度测量的准确性直接关系着航空发动机的性能及安全。在航空发动机测试过程中，经常需要准确地测量温度及利用温度进行自动调节和控制。由于航空发动机中的温度场极度不均匀，且伴有腐蚀性气流的高速冲刷，误差的产生不可避免。本文介绍了测温过程中三种主要的误差，并阐述了一些简单且行之有效的处理方法，借此可以有效提高热电偶测温过程中的测量精度，从而保证测试数据的可靠性。