不同測(cè)試方法下高溫應(yīng)變片熱輸出分析

劉梓才 喻丹萍 李錫華 盧琰琰 陳學(xué)徳 李朋洲

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 成都 610041）

不同測(cè)試方法下高溫應(yīng)變片熱輸出分析

劉梓才 喻丹萍 李錫華 盧琰琰 陳學(xué)徳 李朋洲

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 成都 610041）

用以夾代焊為熱輸出的測(cè)試方法，揭示對(duì)高溫應(yīng)變片熱輸出的影響。通過分析熱輸出的影響因素，對(duì)高溫應(yīng)變片在安裝試件材料和基底材料線膨脹系數(shù)不匹配情況下的熱輸出測(cè)試進(jìn)行了探索。對(duì)懸空、夾持、點(diǎn)焊等各種測(cè)試方式下的熱輸出進(jìn)行了分析比較，利用各種測(cè)試方式的特點(diǎn)得到了各種熱輸出。結(jié)果表明：懸空方式下的熱輸出可以作為高溫應(yīng)變片安裝于基底材料上的熱輸出，為溫度變化速率區(qū)別于出廠標(biāo)定溫度條件時(shí)熱輸出曲線的獲得提供了依據(jù)。夾持方式下的熱輸出可以作為點(diǎn)焊熱輸出的替代，實(shí)現(xiàn)了以夾代焊，節(jié)約了成本，而且實(shí)現(xiàn)了逐片標(biāo)定。懸空和夾持方式下熱輸出的比較揭示了安裝試件材料不匹配時(shí)不采用實(shí)際安裝時(shí)的熱輸出曲線會(huì)引起較大的誤差。在各種熱輸出測(cè)試方法中，夾持方式可以替代點(diǎn)焊方式，實(shí)現(xiàn)熱輸出的逐片標(biāo)定，并具有較好的熱輸出準(zhǔn)確性。

高溫應(yīng)變片，熱輸出，測(cè)試方法，夾持

高溫應(yīng)變片受溫度變化影響，在不受力時(shí)輸出的應(yīng)變稱為高溫應(yīng)變片的熱輸出。熱輸出是電阻式高溫應(yīng)變片最重要的工作特性參數(shù)之一，是高溫應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)修正的基礎(chǔ)，熱輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度直接影響了高溫應(yīng)變測(cè)試的精度。因此，高溫應(yīng)變測(cè)試前的一個(gè)重要工作之一是進(jìn)行實(shí)際安裝條件下高溫應(yīng)變片的熱輸出測(cè)試[1]。影響高溫應(yīng)變片熱輸出的因素較多，如溫升速率[2]、試件材料[3]等。在遠(yuǎn)不如航天等領(lǐng)域溫度變化速率快達(dá)每秒幾度甚至幾十度的場(chǎng)合，溫升速率對(duì)高溫應(yīng)變片熱輸出的影響相對(duì)較小，而高溫應(yīng)變片實(shí)際應(yīng)用的試件材料影響相對(duì)較大。當(dāng)測(cè)試對(duì)象的材料和高溫應(yīng)變片柵絲材料線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，廠家提供的熱輸出曲線若直接用于實(shí)際測(cè)試，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此，必須獲得實(shí)際安裝條件下的熱輸出曲線。高溫應(yīng)變片安裝于不同的試件材料上的熱輸出有理論修正辦法[4]，但這種理論修正方法無法解決同批次高溫應(yīng)變片熱輸出有較大分散度，試件的線膨脹系數(shù)也存在分散度而導(dǎo)致熱輸出有一定分散性，只是在無熱輸出測(cè)試設(shè)備和條件時(shí)進(jìn)行較為粗略的修正，起到一定的積極作用。用于熱輸出測(cè)試的高溫應(yīng)變片的安裝一般采用膠粘或點(diǎn)焊的方式，這些方式會(huì)使高溫應(yīng)變片在測(cè)試完后無法再利用，使得熱輸出測(cè)試無法實(shí)現(xiàn)逐片測(cè)試，且測(cè)試成本較高。

對(duì)高溫應(yīng)變片在不同安裝固定方式下的熱輸出進(jìn)行了測(cè)試和比較。用“以夾代焊”的方法使高溫應(yīng)變片在測(cè)試完后仍可再用，實(shí)現(xiàn)熱輸出的逐片測(cè)試，降低了成本，具很大的優(yōu)勢(shì)[5]。

1 熱輸出影響因素

高溫應(yīng)變片的理論熱輸出公式為：

其中，εT熱輸出，αT應(yīng)變片柵絲的電阻溫度系數(shù)，K應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，ΔT為溫度變化，βe試件材料的線膨脹系數(shù)，βg應(yīng)變片柵絲的線膨脹系數(shù)。因此，熱輸出主要由柵絲的電阻溫度系數(shù)隨溫度的變化以及柵絲和試件材料線膨脹系數(shù)間的差異產(chǎn)生。通過控制柵絲的合金成分以及熱處理達(dá)到改變?chǔ)罷的目的，可以使熱輸出為零，達(dá)到高溫應(yīng)變片的自補(bǔ)償。這種自補(bǔ)償與特定的被測(cè)物的線膨脹系數(shù)βe相對(duì)應(yīng)的，如用在不適用的被測(cè)物時(shí)，不僅不會(huì)補(bǔ)償溫度引起的應(yīng)變，還會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，使自補(bǔ)償效果不理想。因此，實(shí)際測(cè)試的材料非高溫應(yīng)變片自補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的那種材料時(shí)，有必要針對(duì)實(shí)際使用條件獲得高溫應(yīng)變片的熱輸出曲線，以避免采用和實(shí)際熱輸出不匹配的出廠熱輸出曲線，導(dǎo)致較大測(cè)量誤差。

2 測(cè)試用高溫應(yīng)變片

試驗(yàn)用的高溫應(yīng)變片為日本TML公司生產(chǎn)的鎧裝焊接式全橋自補(bǔ)償型高溫應(yīng)變片，其點(diǎn)焊固定用基底薄片采用Inconel alloy 600鋼制成。其型號(hào)的高溫應(yīng)變片每片都有廠家提供的熱輸出曲線，但缺少熱輸出測(cè)試的詳細(xì)信息，如：熱輸出測(cè)試時(shí)高溫應(yīng)變片的固定方式、溫升速率、溫度補(bǔ)償?shù)取Ｒ虼?，廠家的熱輸出曲線和用戶特定條件下高溫應(yīng)變片熱輸出曲線可能存在較大差異，這種情況需用戶結(jié)合實(shí)際使用條件另行標(biāo)定熱輸出，以減小實(shí)際熱輸出差異產(chǎn)生的測(cè)試誤差。高溫應(yīng)變片價(jià)格貴，若采用傳統(tǒng)的點(diǎn)焊或高溫膠粘固定的方式進(jìn)行熱輸出測(cè)試，雖能得到完整的熱輸出曲線，但高溫應(yīng)變片卻成為廢片，無法取下再用。若用這種破壞式的方式測(cè)試幾個(gè)高溫應(yīng)變片在實(shí)際安裝材料和溫度條件下的熱輸出來替代批量的高溫應(yīng)變片熱輸出，則也會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)試誤差。主要是高溫應(yīng)變片的熱輸出存在很大的分散度，各個(gè)高溫應(yīng)變片的熱輸出值在相同溫度下可能相差很多，這種抽樣代表的測(cè)試會(huì)增加高溫應(yīng)變測(cè)試的不準(zhǔn)確度，增加高溫應(yīng)變測(cè)試的難度。鑒于廠方提供了每片高溫應(yīng)變片不同的熱輸出曲線，說明有辦法實(shí)現(xiàn)高溫應(yīng)變片的逐片熱輸出測(cè)試和循環(huán)再用。

3 測(cè)試裝置及方法

測(cè)試熱輸出的試驗(yàn)裝置為自行研制的高溫應(yīng)變片性能參數(shù)測(cè)試裝置[6]。該裝置能測(cè)試應(yīng)變片的熱輸出、機(jī)械滯后、靈敏系數(shù)、零漂和蠕變等特性參數(shù)。將高溫應(yīng)變片分別處于3種不同的不受力狀態(tài)，分別是懸空、夾持、點(diǎn)焊。每個(gè)高溫應(yīng)變片以全橋方式接入應(yīng)變儀。采用英國輸力強(qiáng)公司的3595型靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變信號(hào)。將高溫應(yīng)變片按不同方式安裝固定好后，放入測(cè)試裝置，進(jìn)行升溫。溫度從室溫到最高測(cè)試溫度580 oC，溫升速率1 oC/min，并根據(jù)工程實(shí)際情況設(shè)有6個(gè)溫度穩(wěn)定臺(tái)階以利于裝置內(nèi)各處溫度場(chǎng)更加均勻。在每個(gè)高溫應(yīng)變片上都安裝測(cè)溫?zé)犭娕?，并將其中一個(gè)熱電偶作為溫控系統(tǒng)的主控?zé)犭娕?。供測(cè)試用高溫應(yīng)變片數(shù)量有限，不同安裝固定方式下的測(cè)試結(jié)果只進(jìn)行最大差值定量比較，以說明安裝固定方式產(chǎn)生的差異，不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1懸空方式熱輸出測(cè)試

懸空是將高溫應(yīng)變片自由懸置于高溫環(huán)境中。通常出廠熱輸出測(cè)試時(shí)要求將應(yīng)變片固定在一溫度均勻的不受力試件上，而且試件的材料和應(yīng)變片安裝基底的材料一致。懸空測(cè)試的目的就是要獲得高溫應(yīng)變片固定在和基底材料一致的試件上時(shí)的熱輸出，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是高溫應(yīng)變片省去安裝固定的麻煩，簡(jiǎn)單易行，容易測(cè)試不同溫升速率下的熱輸出。對(duì)編號(hào)為HFH22I-06、HFH22I-08的2個(gè)高溫應(yīng)變片進(jìn)行懸空熱輸出測(cè)試，并將得到的熱輸出曲線和各個(gè)高溫應(yīng)變片的出廠熱輸出曲線繪圖比較。懸空熱輸出和出廠熱輸出具有很相似的曲線形態(tài)，而且熱輸出曲線都平滑無跳躍點(diǎn)，在各個(gè)溫度點(diǎn)上的熱輸出數(shù)值也較靠近，懸空和出廠熱輸出曲線最大差值均在曲線底部，分別為80 με (HFH22I-06)和116 με (HFH22I-08)，見圖1。這是由于出廠熱輸出和懸空熱輸出在測(cè)試時(shí)的溫升速率、應(yīng)變片固定方式、溫度場(chǎng)等熱輸出影響因素上存在差異，因此，二者的熱輸出曲線也存在差異。為使后續(xù)測(cè)試熱輸出具有同樣的比較基礎(chǔ)，將懸空熱輸出作為出廠熱輸出的替代比較對(duì)象。

圖1 HFH22I-06(a)和HFH22I-08(b)懸空熱輸出與廠家熱輸出Fig.1 Thermal outputs of hanging and provision for HFH22I-06(a) and HFH22I-08(b).

4.2夾持方式熱輸出測(cè)試

高溫應(yīng)變片在實(shí)際使用時(shí)并非懸空使用，而是通過膠或點(diǎn)焊固定在試驗(yàn)件上。試驗(yàn)件材料和高溫應(yīng)變片基底材料線膨脹系數(shù)的差異會(huì)使高溫應(yīng)變片的實(shí)際安裝后的熱輸出有別于出廠熱輸出，因此，有必要得到實(shí)際安裝時(shí)的熱輸出。但不論是膠粘還是點(diǎn)焊，高溫應(yīng)變片固定后就無法取下再用，因而不宜用這種破壞性的方式進(jìn)行高溫應(yīng)變片實(shí)際安裝狀態(tài)的熱輸出測(cè)試。采用夾具夾持的方式是將高溫應(yīng)變片用夾具固定以模擬高溫應(yīng)變片點(diǎn)焊的固定方式。夾具材料采用高溫應(yīng)變片實(shí)際工程安裝試驗(yàn)件材料做成。對(duì)編號(hào)為HFH19I-02、HFH19I-03的2個(gè)高溫應(yīng)變片按同樣的溫度條件分別進(jìn)行夾持和點(diǎn)焊2種固定方式的熱輸出測(cè)試(圖2)，從測(cè)試結(jié)果看出，2種固定方式的熱輸出曲線基本重合，差別較小，2個(gè)應(yīng)變片在2種固定方式下的最大差異值為63 με，可以將夾持熱輸出替代點(diǎn)焊熱輸出。由于高溫應(yīng)變片價(jià)格昂貴，用夾持代替點(diǎn)焊的方式不僅可以逐片獲得熱輸出，而且可以使高溫應(yīng)變片經(jīng)過標(biāo)定測(cè)試后能再用，有很好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

4.3夾持和懸空測(cè)試的比較

在相同的溫度條件，將出廠熱輸出和實(shí)際安裝條件下的熱輸出之間的差異作比較。將懸空熱輸出作為出廠熱輸出的代表，將夾持熱輸出作為實(shí)際安裝熱輸出的代表，對(duì)這2種固定方式下的熱輸出進(jìn)行比較。將編號(hào)為HFH22I-06、HFH22I-08的2個(gè)高溫應(yīng)變片懸空和夾持2種方式下的熱輸出分別進(jìn)行比較，見圖3所示。在低溫段，二者重合的較好，隨著溫度的升高，二者的熱輸出值差距明顯，而且懸空熱輸出明顯大于夾持熱輸出。這是因?yàn)閵A具材料的線膨脹系數(shù)大于高溫應(yīng)變片的基底材料，而且在熱輸出顯著的溫度段熱輸出值為負(fù)值，因此，夾持時(shí)的熱輸出比懸空時(shí)絕對(duì)值要小。從比較中可以看出夾持和懸空2種方式下的熱輸出隨溫度的變化存在顯著差異，有些高溫應(yīng)變片的熱輸出在有些溫度段這二種固定方式下存在很大差異，最大熱輸出差異均在曲線底部，分別為218 με (HFH22I-06)和98 με(HFH22I-08)

5 結(jié)語

通過不同固定方式下高溫應(yīng)變片熱輸出的測(cè)試和比較，對(duì)在不同測(cè)試方法下的熱輸出差異有了更好的認(rèn)識(shí)。將高溫應(yīng)變片實(shí)際安裝于和基底材料相同的試件上時(shí)，按實(shí)際溫升速率得到的懸空熱輸出可以替代出廠熱輸出，且更能反映實(shí)際情況，具有更好的準(zhǔn)確性。在材料相同時(shí)，夾持和點(diǎn)焊能獲得相同的熱輸出曲線。夾持和懸空比較，在低溫段二者熱輸出曲線較一致，隨著溫度的升高，二者差距明顯，并在曲線底部差距最大。比較不同測(cè)試方法的熱輸出，可以看出：采用出廠熱輸出曲線與實(shí)際安裝于某種試件材料的熱輸出存在較大差別，因此，用實(shí)際試件材料做成夾具進(jìn)行夾持方式下的熱輸出測(cè)試，以減小實(shí)際測(cè)試熱輸出引起的測(cè)試誤差。這種以夾代焊的熱輸出測(cè)試方式具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。

1 李慶釗, 李浩毅. 主蒸汽管道高溫應(yīng)力測(cè)量及其受力強(qiáng)度分析[J]. 天津電力技術(shù), 1999, 2(3): 88–93 LI Qingzhao, LI Haoyi. High temperature stress measurement and strength analysis of primary steam pipe[J]. Tianjin Electric Power Tech, 1999, 2(3): 88–93

2 尹福炎. 瞬態(tài)加熱條件下高溫應(yīng)變片測(cè)量誤差的修正方法[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2005, 32(1): 36–42 YIN Fuyan. Correction technique for high temperature strain gage under transient heating conditions[J]. Structure and Environment Engineering, 2005, 32(1): 36–42

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5 劉梓才, 喻丹萍, 盧琰琰, 等. 高溫應(yīng)變片熱輸出測(cè)試[J]. 核動(dòng)力工程, 2011, 32(Suppl): 166–168 LIU Zicai, YU Danping, LUYanyan, et al. Thermal output test of high temperature strain gauge[J]. Nuclear Power Engineering, 2011, 32(Suppl): 166–168

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Analysis of thermal output of high temperature strain gauge by different measurement methods

LIU Zicai YU Danping LI Xihua LU Yanyan CHEN Xuede LI Pengzhou
(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

Background: Thermal output of high temperature strain gauges can be measured by different methods. Purpose: This paper is to discover measurement methods’ effects on thermal output of high temperature strain gauge and to suggest a method of clamping instead of welding for fixture of high temperature strain gauge for thermal output measurement. Methods: By analysis of impacting factors of thermal output, thermal outputs were explored for mismatching thermal expansion coefficients between material of components to be tested and that of strain gauge base. Thermal outputs of all kinds by different fixture methods were obtained and compared for hanging, clamping and spot welding, respectively. Results: Thermal output obtained by way of hanging strain gauge can be used in case of installation on material of the same thermal expansion coefficient as the strain gauge base. And this hanging measurement method provides access to thermal output that strain gauge undergoes different temperature changing ratio from that one of provision offered by strain gauge fabrication factory. Thermal output obtained by way of clamping measurement method can substitute for the one obtained by spot welding. This clamping measurement method can not only realize the effect of spot welding, reducing calibration cost due to spot welding of strain gauges, but also realize the aim of calibration of strain gauges one by one with the strain gauges be intact after calibration. Differences between thermal outputs by two measurement ways of both hanging and clamping explain that large divergence can be made when thermal expansion coefficients between the material of strain gauge base and the one of the component to be installed on. Conclusions: Thermal output can be measured among all methods by fixture of clamping instead of welding, with an advantage of realizing strain gauge calibration one by one and also with a high precision.

High temperature strain gauge, Thermal output, Measurement method, Clamping

O602

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040636

劉梓才，男，1978年出生，2005年于太原科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事結(jié)構(gòu)力學(xué)工作

2012-10-31，

013-01-142

CLC O602