小直徑熱電偶在導(dǎo)彈表面溫度測(cè)試中應(yīng)用

摘要:針對(duì)不同線徑的熱電偶絲進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析并給出了影響表面溫度測(cè)量的主要因素,分析了基于測(cè)量端形狀不同的熱電偶用于表面溫度測(cè)量情況下,粘貼材料的粘貼性能、粘貼方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。進(jìn)而解決了導(dǎo)彈產(chǎn)品在各種測(cè)試環(huán)境條件下的表面溫度測(cè)試問題,提高了導(dǎo)彈產(chǎn)品表面溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性和置信度。
      表面溫度是導(dǎo)彈產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的-一個(gè)重要參數(shù),表面溫度的高低和變化不僅直接影響導(dǎo)彈產(chǎn)品的性能,而且還會(huì)對(duì)設(shè)備設(shè)施造成不可逆轉(zhuǎn)的影響,因此表面溫度測(cè)量與控制在國(guó)防科技工業(yè)科研和生產(chǎn)領(lǐng)域至關(guān)重要。對(duì)導(dǎo)彈產(chǎn)品表面溫度的多點(diǎn)、實(shí)時(shí)、快速和正確測(cè)量是全面反映導(dǎo)彈產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)溫度特征的基本條件,在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,不僅要求測(cè)量系統(tǒng)具備表面溫度測(cè)量顯示功能,還需實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ),以便事后分析處理。目前大多溫度測(cè)量?jī)x采用熱電偶作為測(cè)量傳感器,溫度采集器通過串口方式與便攜式計(jì)算機(jī)相連，將測(cè)量結(jié)果發(fā)送并存儲(chǔ)在PC機(jī)內(nèi)。
      基于此,筆者針對(duì)不同線徑的熱電偶絲進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析并給出了影響表面溫度正確測(cè)量的主要因素,分析了基于測(cè)量端形狀不同的熱電偶用于表面溫度測(cè)量情況下,粘貼材料的粘貼性能粘貼方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。進(jìn)而解決了導(dǎo)彈產(chǎn)品在各種測(cè)試環(huán)境條件下的表面溫度測(cè)試問題，提高了導(dǎo)彈產(chǎn)品表面溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性和置信度。
1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
1.1試驗(yàn)系統(tǒng)組成
      試驗(yàn)系統(tǒng)由多通道高速溫度采集器、便攜式計(jì)算機(jī)、測(cè)量熱電偶和恒溫槽組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2高速溫度采集器的選擇
      溫度采集器的選擇原則,一是能夠采集多路測(cè)量數(shù)據(jù),并具有較高的采樣速率,二是具有計(jì)算機(jī)接口功能，能夠與計(jì)算機(jī)連接組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集與分析功能。
1.3熱電偶的選擇
      小直徑熱電偶便于粘貼,采用小直徑熱電極的熱電偶可以減小瞬態(tài)溫度測(cè)量誤差。另外,選擇的測(cè)量熱電偶材料的導(dǎo)熱系數(shù)必須接近于所測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù),使沿?zé)犭娕紵犭姌O散出的熱量與計(jì)算熱流相比可以忽略不計(jì);在熱電偶的熱接點(diǎn)處,由于兩個(gè)熱電極的導(dǎo)熱系數(shù)不同可能產(chǎn)生溫度場(chǎng)的不均勻性,這類測(cè)量誤差可以通過適當(dāng)選擇熱電極的直徑來(lái)消除。所以,在保證測(cè)量溫度上限要求的前提下,應(yīng)盡.量選擇偶絲直徑較細(xì)的熱電偶。為了保證熱電偶傳感器能夠覆蓋-70~250℃和300~750℃的測(cè)量范圍，應(yīng)選擇偶絲直徑為0.25mm的測(cè)量熱電偶。
1.4粘貼材料的選擇
      正確測(cè)量溫度的必要條件是在溫度測(cè)點(diǎn)處熱電偶與被測(cè)件材料試樣(固體表面)可靠的接觸。熱電偶指示誤差與它在試樣上的固定方式有關(guān)。因此只有選擇合適的熱電偶粘貼材料,才能達(dá)到正確測(cè)量的目的。
      在粘貼材料的選擇方面,要考慮粘貼材料的粘性、耐1高溫性能以及測(cè)試時(shí)的方便程度，并且,由于導(dǎo)彈產(chǎn)品表面溫度測(cè)試屬于成品或半成品試驗(yàn),測(cè)試過程不能影響到被測(cè)件表面的外觀及性能。所以,要求粘貼材料不僅能粘貼牢固,還要拆卸方便。
1.5恒溫槽
      恒溫槽技術(shù)指標(biāo):工作區(qū)水平溫差為0.005℃,工作區(qū)最大溫差為0.01℃,溫度波動(dòng)度為+0.01℃。.
1.6試驗(yàn)方法.
      導(dǎo)彈產(chǎn)品表面溫度測(cè)試試驗(yàn)?zāi)M空中掛飛試驗(yàn)狀態(tài),試驗(yàn)時(shí)間較短,為了保證表面溫度短時(shí)正確測(cè)量,關(guān)鍵要考慮熱電偶的熱響應(yīng)時(shí)間和熱電偶粘貼材料的粘貼性能等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)主要針對(duì)熱電偶的熱響應(yīng)時(shí)間、膠帶的粘貼性能和絕緣性能進(jìn)行試驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品表面溫度測(cè)試方法的可信度。
      熱電偶熱響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)測(cè)試依據(jù)為JJF1049-1995溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)規(guī)范，選擇階躍溫度為50℃,由于熱電偶常溫放置環(huán)境溫度在25℃左右,因此將恒溫槽溫度設(shè)定為80℃,階躍時(shí)間即為熱電偶從常溫升到80℃時(shí)的時(shí)間。測(cè)試方法是先將溫度傳感器放在試驗(yàn)架.上,將恒溫槽中盛滿水,啟動(dòng)電源開關(guān)加熱水溫,同時(shí)啟動(dòng)攪拌器,使水流旋轉(zhuǎn);待恒溫槽內(nèi)水的溫度穩(wěn)定后,將裝有溫度傳感器的試驗(yàn)架放人恒溫槽內(nèi),同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間記錄儀表,測(cè)量結(jié)束后將溫度傳感器從水中提出,恢復(fù)到初始狀態(tài)的溫度。不同膠帶的耐溫性能測(cè)試選擇300℃和800℃兩種試驗(yàn)溫度環(huán).境,膠帶選擇雙面膠(硅橡膠)和玻璃纖維基的單面膠;選取兩種不同型號(hào)的雙面膠帶,在常溫下進(jìn)行測(cè)試，比較測(cè)試結(jié)果。
2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
2.1熱響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)分析
      熱響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)測(cè)試時(shí),恒溫槽選用AT100,編號(hào)為2003-14,試驗(yàn)時(shí)選取9只不同型號(hào)、不同偶絲外徑的熱電偶,熱電偶型號(hào)和偶絲外徑見表1所示，熱電偶外形如圖2所示,測(cè)試狀態(tài)按照熱電偶測(cè)量端裸露和用紙膠帶包括熱電偶測(cè)量端兩種情況進(jìn)行,用溫度巡回檢測(cè)儀采集測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)試起始時(shí)間和終止時(shí)間的記錄格式為時(shí)-分-秒,階躍時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。以單只T型熱電偶測(cè)試為例,測(cè)量端裸露時(shí)熱電偶階躍溫度上升時(shí)間折線圖如圖3所示,用分度值為0.01s的秒表計(jì)時(shí)，手動(dòng)測(cè)得的上升時(shí)間為0.23s,達(dá)到溫度階躍量63.2%所需要的時(shí)間為0.14s,即熱電偶時(shí)間常數(shù)τ=0.14s,熱響應(yīng)時(shí)間即為0.14s。.


      由于用紙膠帶粘貼過程中有兩只熱電偶測(cè)量端斷開,表2的測(cè)試數(shù)據(jù)只剩7只。由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,熱電偶測(cè)量端裸露測(cè)試時(shí),所有被測(cè)熱電偶在同一時(shí)間達(dá)到設(shè)定溫度值,熱響應(yīng)時(shí)間均小于0.5s。由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，所有被測(cè)熱電偶幾乎在同一時(shí)間達(dá)到設(shè)定溫度值,響應(yīng)時(shí)間均小于2s。由此可以得出,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)瞬態(tài)溫度測(cè)試30s左右的測(cè)試時(shí)間來(lái)說,在用膠帶粘貼熱電偶以后,測(cè)量端裸露的熱電偶熱響應(yīng)時(shí)間用于產(chǎn)品表面溫度測(cè)試完全滿足測(cè)試要求;因此,在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)表面溫度測(cè)試時(shí),只要選擇合適的膠帶粘貼,滿足試驗(yàn)溫度要求即可。
2.2膠帶耐熱性能試驗(yàn)分析
      選擇德莎紅塑料基的雙面膠帶寬度20mm,厚度2mm;國(guó)產(chǎn)白玻璃纖維單面膠帶寬度20mm,厚度2mm。在進(jìn)行表面隔熱材料隔熱性能測(cè)試時(shí),分別用兩種不同材質(zhì)的膠帶粘貼熱電偶,在箱式電阻爐內(nèi)和酒精噴燈上加熱測(cè)試,進(jìn)行耐熱性能試驗(yàn)測(cè)試。
      選用箱式電阻爐進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí),箱式電阻爐型號(hào)為SL88-283，編號(hào)為92-04;隔熱材料樣件形狀為長(zhǎng)方塊,粘貼方式是將熱電偶測(cè)量端用雙面膠帶黏貼在隔熱材料樣件表面,熱電偶測(cè)量端放在雙面膠上面,再用一層雙面膠黏貼在熱電偶測(cè)量端上面。將粘貼好熱電偶的隔熱材料放入箱式電阻爐內(nèi)，箱式電阻爐試驗(yàn)溫度設(shè)定為800℃,從測(cè)試樣件放人爐內(nèi)開始計(jì)時(shí),樣件在爐內(nèi)放置30s,熱電偶測(cè)試最高溫度為674℃,隔熱材料樣件從爐內(nèi)取出后膠帶仍能粘貼熱電偶測(cè)量端。由此表明該型號(hào)的雙面膠耐熱性能良好,可以用于材料表面溫度短時(shí)測(cè)試試驗(yàn)。
      使用酒精噴燈進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),熱電偶黏貼在沒有涂覆隔熱材料的一面,黏貼方式和在電阻爐內(nèi)測(cè)試時(shí)相同,將粘貼好熱電偶的隔熱材料樣件放在試驗(yàn)架上,使用酒精噴燈對(duì)隔熱材料樣件進(jìn)行加熱,從樣件放到酒精噴燈上方開始計(jì)時(shí),加熱時(shí)間為60s,熱電偶測(cè)試最高溫度值為321℃;根據(jù)測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維絲基的單面膠由于膠層較薄,加熱溫度300℃左右粘性失效;而另外--種雙面膠在此溫度下粘性良好,由此可以得出,玻璃纖維絲基的單面膠不能用于高溫測(cè)試。
2.3雙面膠絕緣性能測(cè)試分析
      選取德莎紅塑料基的雙面膠帶(寬度為20mm,厚度為2mm)和普通紙基雙面膠帶(寬度為10mm,厚度為1.5mm),分別將兩種不同的膠帶粘貼在導(dǎo)體表面，使用ZC-1型兆歐表進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得的絕緣電阻值均大于500Mn。
      由此可知，兩種型號(hào)的膠帶均能滿足絕緣測(cè)試要求,可以用于帶電接線柱或帶電器件表面溫度測(cè)試;但是由于厚質(zhì)雙面膠粘性較強(qiáng)，用于粘貼熱電傌容易固.定,可以達(dá)到較滿意的測(cè)試結(jié)果。
3結(jié)束語(yǔ)
      細(xì)絲熱電偶由于其熱容量小，響應(yīng)速度快,熱響應(yīng)時(shí)間短,又不會(huì)使布置熱接點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的溫度場(chǎng)發(fā)生畸變;用于表面溫度瞬態(tài)測(cè)試時(shí),通過熱傳導(dǎo)可以和被測(cè)件快速交換熱量達(dá)到熱平衡;然而,熱電偶絲比較細(xì)，機(jī)械強(qiáng)度也就較低,尤其是在高溫下熱電極變脆時(shí)就更是如此，極易引起熱電偶絲熔斷。在進(jìn)行高溫測(cè)試時(shí),不但要考慮粘貼材料的黏結(jié)性，還要考慮其耐高溫性能,保證在整個(gè)測(cè)溫過程中,熱電偶與被測(cè)材料樣件一直能完好的接觸。通過上述試驗(yàn)分析得知,使用硅橡膠雙面膠帶,可以用于750℃的瞬態(tài)溫度測(cè)試。
      對(duì)于導(dǎo)彈產(chǎn)品通電工作狀態(tài)下,電子器件表面溫度測(cè)試時(shí)絕緣材料的選取,普通雙面膠帶即能達(dá)到比較滿意的絕緣效果;但在對(duì)通電器件、導(dǎo)體的溫度測(cè)試過程中，由于需要將熱電偶粘貼在通電器件、導(dǎo)體的表面,在測(cè)量時(shí)間足夠長(zhǎng)的前提下,粘性越好的膠帶越能更好的保證熱電偶測(cè)量端與被測(cè)件表面牢固接觸,達(dá)到比較滿意的測(cè)量效果。