液氧煤油發(fā)動機(jī)試驗液氧溫度測量研究

薛 寧，劉 正

（西安航天動力研究所，西安，710100）

0 引言

液氧煤油發(fā)動機(jī)試驗中，流量數(shù)據(jù)與發(fā)動機(jī)的比沖、混合比等性能參數(shù)密切相關(guān)，是試驗過程必須獲得的關(guān)鍵參數(shù)之一[1]。為了獲得發(fā)動機(jī)啟動及關(guān)機(jī)等過渡段的流量特性，測量的方法是使用渦輪流量計測量推進(jìn)劑的體積流量，根據(jù)溫度、壓力與推進(jìn)劑密度的關(guān)系換算密度，最終得到推進(jìn)劑質(zhì)量流量。

在實際使用過程中，由于渦輪流量計實驗室校驗環(huán)境與試驗現(xiàn)場安裝使用環(huán)境截然不同，校驗介質(zhì)與試驗用真實介質(zhì)在密度、粘度等物理性能上也存在差異，采用水校驗系數(shù)處理推進(jìn)劑流量數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生一定誤差[2]。為了消除實驗室與試驗環(huán)境兩者間的差異，提供真實可信的試驗數(shù)據(jù)，需要建立現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)，使用真實介質(zhì)對渦輪流量計進(jìn)行原位校準(zhǔn)?，F(xiàn)場原位校準(zhǔn)依據(jù)質(zhì)量守恒原理進(jìn)行，即從容器中流出的推進(jìn)劑質(zhì)量流量與流經(jīng)渦輪流量計的質(zhì)量流量相等。在試驗現(xiàn)場，根據(jù)推進(jìn)劑類型的不同，考慮其理化性能的差異，采用不同的測量設(shè)備作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)。液氧作為一種低溫推進(jìn)劑，流量準(zhǔn)確測量是一個難點，為此，采用高精度分節(jié)式電容液位計[1,3,4]作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)。

渦輪流量計和分節(jié)式電容液位計均為體積型流量測量裝置，為了獲得液氧質(zhì)量流量，必須測量液氧容器內(nèi)和液氧主管路內(nèi)的介質(zhì)溫度。目前，主管路采用鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行溫度測量。液氧容器中安裝由銅-康銅熱電偶傳感器組成的分層溫度測量裝置，并對參考點進(jìn)行恒溫處理，保證了液氧溫度測量準(zhǔn)確性。由于熱電偶傳感器自身測量準(zhǔn)確性限制，在當(dāng)?shù)卮髿鈮合拢萜髦械囊貉鯗囟葴y量值和理論值相比，還是存在一定差異，會導(dǎo)致液氧密度測量值出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響原位校準(zhǔn)系數(shù)的準(zhǔn)確性，影響液氧流量數(shù)據(jù)。因此，采用高精度的溫度傳感器，搭建液氧容器中低溫溫度測量系統(tǒng)，對液氧容器中的溫度進(jìn)行測量，可降低溫度測量誤差，達(dá)到提高密度測量準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高液氧流量測量準(zhǔn)確性的目的。

1 溫度傳感器的選擇

1.1 低溫溫度傳感器的選擇

國內(nèi)外根據(jù)溫度測量對象和技術(shù)要求的不同，使用不同類型的溫度傳感器，其測溫原理、測溫范圍及測量精度各不相同。

可用于低溫測量的傳感器有多種類型，常用的傳感器主要包括銅-康銅（T形）熱電偶、鉑電阻傳感器以及熱敏電阻傳感器。熱電偶傳感器是利用塞貝克效應(yīng)制成的，其溫度測量是相對測量，即與某一參考點進(jìn)行溫度對比得到測量數(shù)據(jù)。由于受冷端補(bǔ)償誤差、分度誤差以及動態(tài)誤差等因素的影響，其測量精度為±1.5℃。鉑電阻作為一種熱電阻，具有電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，常采用外供恒流激勵，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的方式測量溫度值，以常用的Pt100型鉑電阻為例，液氧溫區(qū)內(nèi)，其測量精度為±0.51℃，電阻值小于26 Ω。在發(fā)動機(jī)試驗測量過程中，從傳感器至采集設(shè)備之間的傳輸電纜一般長達(dá)上百米，過長的導(dǎo)線，即使不計熱噪電阻，并通過三線制或四線制測量方法消除連線電阻對測量精度的影響其導(dǎo)線電阻影響也無法忽略，對測量準(zhǔn)確性有一定的影響。熱敏電阻[5,6]也是一種熱電阻，測量精度為±0.3℃，且其電阻值一般為幾十千歐，因此可以忽略線路電阻的影響。為此，選擇熱敏電阻傳感器搭建低溫溫度測量系統(tǒng)，對液氧低溫溫度進(jìn)行測量。

1.2 熱敏電阻傳感器的特點

熱敏電阻是一種熱電阻，分為負(fù)溫度系數(shù)、正溫度系數(shù)、臨界溫度系數(shù)3種。其中，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻主要是Mn、Co、Ni和Fe等過渡金屬氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，通過不同材料的組合，對電阻值和溫度特性進(jìn)行調(diào)整，其電阻測量范圍寬，可用來進(jìn)行溫度測量。

負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻具有靈敏度高、元件尺寸小、響應(yīng)速度快、電阻率大、熱慣性小、耐腐蝕和結(jié)構(gòu)簡單、電阻隨溫度變化能力強(qiáng)、并能測細(xì)小溫度變化的特點。其電阻-溫度特性符合負(fù)指數(shù)規(guī)律，其關(guān)系式為

式中TR為熱敏電阻在絕對溫度T時的阻值，kΩ；0TR為熱敏電阻在絕對溫度T0時的阻值，kΩ；T，0T分別為介質(zhì)的起始溫度和變化溫度，K；t，0t分別為介質(zhì)的起始溫度和變化溫度，℃；B為熱敏電阻材料常數(shù)，一般為2000～6000。B值越大，傳感器靈敏度越高。

2 熱敏電阻低溫溫度測量系統(tǒng)的建立

2.1 液氧分層溫度測量裝置的設(shè)計

為了保持溫度測量數(shù)據(jù)的一致性與可追溯性，并對測量效果進(jìn)行評估，選用多只檢定合格的熱敏電阻傳感器，安裝位置與原安裝的銅-康銅熱電偶傳感器保持一致。此外，結(jié)合熱敏電阻傳感器自身特性和封裝，重新設(shè)計和加工熱敏電阻傳感器安裝接口，確定了密封形式。

根據(jù)傳感器安裝位置，確定傳感器外引線長度，對熱敏電阻傳感器采用四線制方式進(jìn)行處理，即每一只傳感器兩端分別引出兩根顏色不同的引線，分別對應(yīng)激勵電源正端、激勵電源負(fù)端、信號正端以及信號負(fù)端。其中，激勵電源正端、信號正端引線由同一端引出，激勵電源負(fù)端、信號負(fù)端由另一端引出，對接點進(jìn)行處理，保證接點間絕緣良好，避免出現(xiàn)短路現(xiàn)象。外引線制作完成后，對封裝完成后的熱敏電阻傳感器進(jìn)行液氧低溫試驗，測量熱敏電阻傳感器在低溫環(huán)境下的阻值，確認(rèn)傳感器引線的絕緣、溫度特性。

2.2 熱敏電阻的測溫機(jī)理

負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即其電阻值隨著溫度的升高而減小。這是因為熱敏電阻的導(dǎo)電性能主要是由其內(nèi)部的載流子（電子或空穴）的密度和遷移率決定。當(dāng)溫度升高時，由于熱激發(fā)，將使載流子的密度大大增加，從而導(dǎo)致負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻的電阻值急劇下降。這種熱性能就是熱敏電阻能進(jìn)行溫度測量的機(jī)理。

根據(jù)E· 杰克遜· 鮑爾于1960年提出的輿論形成的七個步驟，江蘇衛(wèi)視《非誠勿擾》的輿論形成過程可分為如下幾步：(1)來自社會各界的男女嘉賓秉持著共同的目標(biāo)——尋找異性伴侶，來到江蘇衛(wèi)視《非誠勿擾》的舞臺；(2)舞臺上，男女嘉賓提出各自觀點，產(chǎn)生沖突、爭論；(3)主持人從中調(diào)和，專家做出分析；(4)主持人做出總結(jié)，可作為節(jié)目制播方的權(quán)威性決定，形成場內(nèi)輿論；(5)輿論話題延伸到場外，形成場外輿論，持續(xù)時間長；(6)場內(nèi)輿論和場外輿論相結(jié)合，形成《非誠勿擾》輿論網(wǎng)絡(luò)。如圖3。

2.3 熱敏電阻溫度測量方法

由于熱敏電阻具有較大的非線性特性，一般需要線性化處理，使輸出電壓與溫度接近線性關(guān)系。熱敏電阻線性化電路較多[5]，根據(jù)采集設(shè)備工作原理及配置，選用提供恒流激勵的方法對熱敏電阻進(jìn)行處理。熱敏電阻元件為兩線制，采用恒流激勵的測量方法，對原件進(jìn)行四線制處理，即兩端各引出兩根引線，一組引線作為恒流激勵源的輸入端，另一組作為熱敏電阻信號輸出端。熱敏電阻阻值與輸出的對應(yīng)關(guān)系如下：

式中 V測為熱敏電阻輸出電壓值，mV；I為熱敏電阻流經(jīng)電流，mA；RT熱敏電阻在某溫度下的阻值，kΩ。

2.4 恒流激勵源的設(shè)計

使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置的熱電阻測量模塊進(jìn)行熱敏電阻溫度測量，采集模塊A/D為16位，輸入電壓范圍為±10 V，恒流源范圍為0.5～2.0 mA，激勵程控可調(diào)。

在液氧溫區(qū)熱敏電阻阻值在30 kΩ左右，通過計算，流經(jīng)熱敏電阻的電流不能大于33μA，采用分壓電阻和分流電阻對恒流源進(jìn)行處理，達(dá)到熱敏電阻輸出值不超過測量量程，且熱敏電阻不會發(fā)熱。

利用采集模塊提供恒流激勵，分流電阻和分壓電阻分別選取精密電阻，接線過程如圖1所示。

圖1 恒流激勵電源接線示意Fig.1 Schematic Wiring Diagram of Constant Current Excitation Power Supply

熱敏電阻采集設(shè)備轉(zhuǎn)接電纜端使用電氣連接器連接，其1、2點分別為恒流源正、負(fù)端，3、4點為信號輸入正、負(fù)端。

熱敏電阻兩端采集電壓值為

式中 R1為分流電阻，kΩ；R2為分壓電阻，kΩ。

3 熱敏電阻傳感器的校驗及數(shù)據(jù)處理方法

3.1 熱敏電阻傳感器分度表的確定

熱敏電阻主要是Mn、Co、Ni和Fe等過渡金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體，由于受加工工藝的影響，熱敏電阻傳感器存在一致性較差的缺陷，因而每一只熱敏電阻傳感器需單獨分度，具有不同的分度表。

為了能準(zhǔn)確地從每一只傳感器的分度表、送校熱敏電阻傳感器中獲得液氧溫區(qū)、液氮溫區(qū)的電阻值，根據(jù)式（1）獲得每一只傳感器的B值，然后再以液氧溫區(qū)的阻值為基準(zhǔn)，獲得其它溫度點的電阻值。溫度步進(jìn)長度可以自行選擇，由于熱敏電阻本身測溫區(qū)間較窄，只有20 K左右，可以將步進(jìn)長度定為0.5 K。

3.2 熱敏電阻傳感器的校驗、數(shù)據(jù)處理方法

溫度測量系統(tǒng)采用現(xiàn)場模擬溫度量校驗。熱敏電阻阻值隨溫度變化，電阻值是溫度的函數(shù)，故模擬溫度量為電阻?，F(xiàn)場校驗時，斷開熱敏電阻傳感器，用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱施加標(biāo)準(zhǔn)電阻值。校驗原理如圖2所示。

圖2 熱敏電阻測量系統(tǒng)校驗原理示意Fig.2 Schematic Diagram of Calibration Principle for Thermistor Measurement System

因使用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱對熱敏電阻溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行校驗，考慮到采集系統(tǒng)精度為0.1%，因此電阻箱精度應(yīng)較采集系統(tǒng)至少高一個數(shù)量級。

為了提高液氧測量準(zhǔn)確性，采用多檔校驗的方法對熱敏電阻進(jìn)行校驗與數(shù)據(jù)處理。即校驗時，根據(jù)熱敏電阻分度表，按照其對應(yīng)電阻值等間距施加標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行11檔校驗，形成新的mV-T分度表。

根據(jù)新的mV-T分度表，用下式進(jìn)行多段插值處理，直接計算溫度值。

式中 UK，UK+1為新分度表中電壓值，滿足分別為新分度表對應(yīng) UK和 UK+1的溫度值，K；T為測量的溫度值，K。

4 數(shù)據(jù)對比

熱敏電阻分層溫度裝置搭建完成后，與原銅-康銅分層溫度測量裝置一起，已參與完成了多次試驗參數(shù)測量任務(wù)，多次試驗數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

圖3 試驗過程中容器溫度對比曲線Fig.3 Contrast Curve of Vessel Temperature during Test

從圖3中可以看出，在同樣的試驗條件下，每次測量的溫度數(shù)據(jù)雖然略有差別，但熱敏電阻傳感器的測量數(shù)據(jù)與液氧主管路、液氧泵前的溫度值接近，說明熱敏電阻溫度測量值較銅-康銅熱電偶測量精度高，降低了系統(tǒng)誤差，較真實地反映了被測介質(zhì)溫度。

5 結(jié)束語

采用熱敏電阻傳感器，利用雙重手段對液氧溫度進(jìn)行測量，不但可以全程觀測溫度變化趨勢，也能準(zhǔn)確觀測到某一區(qū)域內(nèi)的溫度值，減小了測量系統(tǒng)誤差，保證了參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和可靠性，提高了液氧密度測量準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步提高液氧流量測量準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ)。同時，在液氧入口與液氧主管路等位置，也可借鑒容器中液氧溫度測量方法，提高液氧溫度測量準(zhǔn)確性。