熱試驗(yàn)溫度測量中熱電偶安裝技術(shù)研究

劉紅耘

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

在飛行器結(jié)構(gòu)地面熱試驗(yàn)中，溫度是一個很重要的表征參數(shù)，準(zhǔn)確測量飛行器的表面溫度或內(nèi)部溫度是非常必要的[1]。熱電偶溫度傳感器具有響應(yīng)快、精度高、無需供電等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類地面結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中[2，3]。對于金屬試件，國內(nèi)主要采用焊接的方法安裝熱電偶；對于非金屬試件，通常采用將熱電偶焊接在金屬箔片上，再將金屬箔片粘貼在試件表面的方法安裝熱電偶。但因金屬箔片與非金屬結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)不一致，在高溫、高溫升率試驗(yàn)情況下，經(jīng)常發(fā)生局部開膠甚至脫落，使測溫點(diǎn)浮空，嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性和精度。而焊接在金屬件表面的熱電偶。也會因焊接方法不當(dāng)、焊接工藝不對而導(dǎo)致測量錯誤或誤差偏大。因而，如何可靠地將熱電偶安裝在結(jié)構(gòu)件表面是當(dāng)前熱試驗(yàn)亟待解決的問題[4]。

本文介紹了熱電偶的特點(diǎn)和類型，重點(diǎn)介紹了使用焊接、粘貼兩種方法安裝熱電偶在慢升溫和快升溫兩種加熱條件下的測量結(jié)果及這兩種安裝方法對測量結(jié)果的影響，描述了粘貼和焊接兩種方法的安裝工藝。

2 熱電偶的特點(diǎn)和類型

2.1 熱電偶的特點(diǎn)

熱電偶測溫是基于熱電效應(yīng)。在由兩種不同的均勻細(xì)質(zhì)導(dǎo)體材料A和B組成的閉合回路中，如果兩個接點(diǎn)溫度不同，則回路中會產(chǎn)生一個電動勢，這種電動勢為熱電動勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)[5]。熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)，而與熱電偶絲的長短、粗細(xì)無關(guān)；只有兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體才能組成熱電偶，當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時(shí)，才會產(chǎn)生熱電勢；材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)，并且是測溫端T的單值函數(shù)；在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩端接點(diǎn)在同一等溫線上，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢保持不變，即第三種導(dǎo)體的引入對熱電偶回路的熱電動勢沒有影響[6]。

2.2 熱電偶的類型

用于測量結(jié)構(gòu)表面溫度的熱電偶類型如表1所示，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)對象、測溫范圍和測量精度要求選用熱電偶。其中，K型熱電偶具有測溫范圍寬、靈敏度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中最常用的一種熱電偶。

表1 常用的熱電偶類型

3 熱電偶的安裝技術(shù)研究

常規(guī)熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件有金屬材質(zhì)和非金屬材質(zhì)，通常金屬材料表面采用焊接方法安裝熱電偶，非金屬材料表面采用粘貼方法安裝熱電偶。因此，熱電偶的安裝分為焊接法和粘貼法兩種。由于K型熱電偶具有測溫范圍寬、靈敏度高、價(jià)格低廉、壽命長、測量信號易轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，在一般的熱試驗(yàn)溫度測量中普遍使用。本文以K型熱電偶為主開展結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)件表面熱電偶的安裝工藝研究。

3.1 焊接法

在金屬材料表面安裝熱電偶，通常采用焊接法。在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體，只要兩個焊點(diǎn)在同一等溫線上，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢保持不變。根據(jù)這個原理，將熱電偶電極的一端焊接在待測試件的表面作為測量端，測量金屬件表面的溫度。

3.1.1 熱電偶焊接工藝

使用儲能點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行熱電偶焊接，將熱電偶絲的焊接端捋直，把儲能點(diǎn)焊機(jī)的一個夾子夾在試件的邊緣處，打開儲能點(diǎn)焊機(jī)的電源開關(guān)，用儲能點(diǎn)焊機(jī)的另一個夾子夾住一根熱電偶絲，將熱電偶絲的斜面和試件表面貼實(shí)，讓點(diǎn)焊機(jī)放電，熱電偶絲就焊在金屬試件表面；用同樣的方法焊第二根熱電偶絲。將焊好的熱電偶絲捋直，使兩根熱電偶絲平行，形成平行分離式的接點(diǎn)，兩個接點(diǎn)為熱電偶的測量端。V形焊法是先將測量端焊好，熱后將兩根絲一起焊在試件表面。

3.1.2 3種焊接法驗(yàn)證試驗(yàn)及對比分析

為得到適用于熱試驗(yàn)的熱電偶焊接方法，在試驗(yàn)中測得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將熱電偶安裝工藝對測量精度影響降到最低，本文選取了3種焊接方法，對熱電偶焊接工藝進(jìn)行對比研究。第一種為V形焊接，第二種為小間距(1mm～3mm)平行焊接，第三種為大間距(≥5mm)平行焊接方法，如圖1所示。

(a)V形焊 (b)小間距平行焊 (c)大間距平行焊圖1 熱電偶的3種焊接方法

在100mm×100mm×3mm的A3鋼試件上用3種焊接方法焊接熱電偶，見圖2。分別在慢速升溫的烘箱和快速升溫的石英燈輻射加熱的平板加熱器上進(jìn)行試驗(yàn)，比對了3種焊法的優(yōu)劣，結(jié)果如圖3所示。

圖2 3種焊接形式的熱電偶

(a)慢升溫

(b)快升溫圖3 3種焊接法溫度測量曲線

從圖3可以看出，3種焊法的測量結(jié)果趨于一致，差值很小。在慢速加熱條件下，通過對不同焊法所測得的溫度數(shù)值進(jìn)行差分，得到相同時(shí)間內(nèi)溫度變化量的均值，并進(jìn)行方差計(jì)算，見表2。在快速加熱條件下，通過對不同的焊法做相同的計(jì)算，結(jié)果見表3。

表2 慢升溫3種焊接方法的差分均值和方差

表3 快升溫3種焊接方法的差分均值和方差

從表2可以看出，3種焊法的差分均值很接近，方差都很小，說明這3種焊法的測量值準(zhǔn)確度均好，波動性小。從表3可知，3種焊法差分均值比較接近，小間距平行焊法的方差最小，說明小間距平行焊法的測量值波動性小，最為穩(wěn)定，更為準(zhǔn)確。結(jié)合焊接過程實(shí)施的難易及其他因素，確定小間距平行焊法為金屬結(jié)構(gòu)件上熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)安裝方法。

3.2 粘貼法

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，越來越多的非金屬材料用于飛行器上。在飛行器熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，越來越多的非金屬構(gòu)件需要測量其表面溫度。結(jié)合國內(nèi)外熱電偶的安裝工藝，使用粘貼的方法在非金屬表面安裝熱電偶。粘貼法是使用膠液將熱電偶的測量端可靠地固定在待測構(gòu)件的表面，不能有縫隙，不能有氣泡，因而膠液的選擇和粘貼方法非常關(guān)鍵。

3.2.1 粘貼膠的選擇

根據(jù)熱試驗(yàn)的要求，粘貼膠應(yīng)具有使用溫度高、粘貼性好、易干、延展性好、傳熱性好、絕緣性好等特性。經(jīng)過多次試驗(yàn)，選用某進(jìn)口的高溫陶瓷膠和某國產(chǎn)的超高溫粘貼膠，分別用于不同基底的試件材料上。

3.2.2 粘貼工藝

將試件表面粘貼點(diǎn)位置打磨并擦洗干凈，刷一薄層底膠，將焊好測量端的熱電偶絲捋直、壓平，使其呈以測量端為頂點(diǎn)的等腰三角形；將其平粘在底膠上，在兩根熱電偶絲上涂一薄層膠，填充電偶絲和底膠間的縫隙，慢慢將膠吹干，待熱電偶絲可靠地粘好后，在表面再均勻地刷一層薄膠，這時(shí)膠層的厚度約為熱電偶絲直徑的3/4，能清晰地看見測量端和熱電偶絲組成的三角輪廓，再依所選用膠的固化工藝要求進(jìn)行固化。固化完成后，用細(xì)砂紙輕輕打磨測量端點(diǎn)表面，使各端點(diǎn)表面的膠層厚度盡量一致。

3.2.3 粘貼法的試驗(yàn)驗(yàn)證

以焊接熱電偶溫度測試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，來驗(yàn)證上述熱電偶粘貼方法和粘貼工藝的可靠性。在100mm×100mm×3mm的A3鋼上按標(biāo)準(zhǔn)工藝焊接一個熱電偶，粘貼一個熱電偶，如圖4所示。分別在慢速升溫的烘箱和快速升溫的石英燈輻射的平板加熱器上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

圖4 粘貼的熱電偶

從圖5可以看出，在兩種加熱條件下，粘貼法和焊接法的變化趨勢完全相同，測量值一致性很高。在慢速升溫條件下，偏差的平均值為0.396℃；在快速升溫條件下，偏差的平均值為13.764℃。兩種升溫情況下偏差的百分比為：慢速升溫0.701%，快速升溫3.727%，均不足原始值的5%，滿足工程應(yīng)用要求，可用于熱試驗(yàn)非金屬材料溫度測量熱電偶的安裝。

(a)慢升溫

(b)快升溫圖5 粘貼法與焊接法溫度測量曲線對比

4 結(jié)束語

本文闡述了熱試驗(yàn)中熱電偶的安裝方法和工藝，在金屬材料表面應(yīng)用小間距平行焊法，在非金屬表面采用粘貼方法安裝熱電偶，成功解決了飛行器結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中溫度測量的熱電偶安裝問題。該方法廣泛用于各種飛行器熱試驗(yàn)中，獲得了大量可靠的溫度數(shù)據(jù)，適用溫度最高可達(dá)1600℃，為飛行器受熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了重要支持。