劉梓才 喻丹萍 李錫華 盧琰琰 陳學徳 李朋洲

（中國核動力研究設計院 成都 610041）

不同測試方法下高溫應變片熱輸出分析

劉梓才 喻丹萍 李錫華 盧琰琰 陳學徳 李朋洲

（中國核動力研究設計院 成都 610041）

用以夾代焊為熱輸出的測試方法，揭示對高溫應變片熱輸出的影響。通過分析熱輸出的影響因素，對高溫應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試進行了探索。對懸空、夾持、點焊等各種測試方式下的熱輸出進行了分析比較，利用各種測試方式的特點得到了各種熱輸出。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)別于出廠標定溫度條件時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焊熱輸出的替代，實現(xiàn)了以夾代焊，節(jié)約了成本，而且實現(xiàn)了逐片標定。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不采用實際安裝時的熱輸出曲線會引起較大的誤差。在各種熱輸出測試方法中，夾持方式可以替代點焊方式，實現(xiàn)熱輸出的逐片標定，并具有較好的熱輸出準確性。

高溫應變片，熱輸出，測試方法，夾持

高溫應變片受溫度變化影響，在不受力時輸出的應變稱為高溫應變片的熱輸出。熱輸出是電阻式高溫應變片最重要的工作特性參數(shù)之一，是高溫應變測試數(shù)據(jù)修正的基礎，熱輸出數(shù)據(jù)的準確度直接影響了高溫應變測試的精度。因此，高溫應變測試前的一個重要工作之一是進行實際安裝條件下高溫應變片的熱輸出測試[1]。影響高溫應變片熱輸出的因素較多，如溫升速率[2]、試件材料[3]等。在遠不如航天等領域溫度變化速率快達每秒幾度甚至幾十度的場合，溫升速率對高溫應變片熱輸出的影響相對較小，而高溫應變片實際應用的試件材料影響相對較大。當測試對象的材料和高溫應變片柵絲材料線膨脹系數(shù)相差較大時，廠家提供的熱輸出曲線若直接用于實際測試，會產(chǎn)生較大的誤差，因此，必須獲得實際安裝條件下的熱輸出曲線。高溫應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)也存在分散度而導致熱輸出有一定分散性，只是在無熱輸出測試設備和條件時進行較為粗略的修正，起到一定的積極作用。用于熱輸出測試的高溫應變片的安裝一般采用膠粘或點焊的方式，這些方式會使高溫應變片在測試完后無法再利用，使得熱輸出測試無法實現(xiàn)逐片測試，且測試成本較高。

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

1 熱輸出影響因素

高溫應變片的理論熱輸出公式為：

其中，εT熱輸出，αT應變片柵絲的電阻溫度系數(shù)，K應變片的靈敏系數(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到改變αT的目的，可以使熱輸出為零，達到高溫應變片的自補償。這種自補償與特定的被測物的線膨脹系數(shù)βe相對應的，如用在不適用的被測物時，不僅不會補償溫度引起的應變，還會引起較大的測量誤差，使自補償效果不理想。因此，實際測試的材料非高溫應變片自補償對應的那種材料時，有必要針對實際使用條件獲得高溫應變片的熱輸出曲線，以避免采用和實際熱輸出不匹配的出廠熱輸出曲線，導致較大測量誤差。

2 測試用高溫應變片

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

3 測試裝置及方法

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

4 測試結(jié)果及分析

4.1懸空方式熱輸出測試

懸空是將高溫應變片自由懸置于高溫環(huán)境中。通常出廠熱輸出測試時要求將應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變片安裝基底的材料一致。懸空測試的目的就是要獲得高溫應變片固定在和基底材料一致的試件上時的熱輸出，這種方式的優(yōu)點是高溫應變片省去安裝固定的麻煩，簡單易行，容易測試不同溫升速率下的熱輸出。對編號為HFH22I-06、HFH22I-08的2個高溫應變片進行懸空熱輸出測試，并將得到的熱輸出曲線和各個高溫應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，在各個溫度點上的熱輸出數(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試時的溫升速率、應變片固定方式、溫度場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)測試熱輸出具有同樣的比較基礎，將懸空熱輸出作為出廠熱輸出的替代比較對象。

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夾持方式熱輸出測試

高溫應變片在實際使用時并非懸空使用，而是通過膠或點焊固定在試驗件上。試驗件材料和高溫應變片基底材料線膨脹系數(shù)的差異會使高溫應變片的實際安裝后的熱輸出有別于出廠熱輸出，因此，有必要得到實際安裝時的熱輸出。但不論是膠粘還是點焊，高溫應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行高溫應變片實際安裝狀態(tài)的熱輸出測試。采用夾具夾持的方式是將高溫應變片用夾具固定以模擬高溫應變片點焊的固定方式。夾具材料采用高溫應變片實際工程安裝試驗件材料做成。對編號為HFH19I-02、HFH19I-03的2個高溫應變片按同樣的溫度條件分別進行夾持和點焊2種固定方式的熱輸出測試(圖2)，從測試結(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個應變片在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焊熱輸出。由于高溫應變片價格昂貴，用夾持代替點焊的方式不僅可以逐片獲得熱輸出，而且可以使高溫應變片經(jīng)過標定測試后能再用，有很好的經(jīng)濟性和實用性。

4.3夾持和懸空測試的比較

在相同的溫度條件，將出廠熱輸出和實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際安裝熱輸出的代表，對這2種固定方式下的熱輸出進行比較。將編號為HFH22I-06、HFH22I-08的2個高溫應變片懸空和夾持2種方式下的熱輸出分別進行比較，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。這是因為夾具材料的線膨脹系數(shù)大于高溫應變片的基底材料，而且在熱輸出顯著的溫度段熱輸出值為負值，因此，夾持時的熱輸出比懸空時絕對值要小。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變片熱輸出的測試和比較，對在不同測試方法下的熱輸出差異有了更好的認識。將高溫應變片實際安裝于和基底材料相同的試件上時，按實際溫升速率得到的懸空熱輸出可以替代出廠熱輸出，且更能反映實際情況，具有更好的準確性。在材料相同時，夾持和點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。比較不同測試方法的熱輸出，可以看出：采用出廠熱輸出曲線與實際安裝于某種試件材料的熱輸出存在較大差別，因此，用實際試件材料做成夾具進行夾持方式下的熱輸出測試，以減小實際測試熱輸出引起的測試誤差。這種以夾代焊的熱輸出測試方式具有簡單、實用、經(jīng)濟和準確度高的特點。

1 李慶釗, 李浩毅. 主蒸汽管道高溫應力測量及其受力強度分析[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)加熱條件下高溫應變片測量誤差的修正方法[J]. 強度與環(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

3 魏元,張愛茵,曹志偉. 試件合金成分對熱輸出影響的研究[J]. 強度與環(huán)境, 2009, 36(4): 50–53 WEI Yuan, ZHANG Aiyin, CAO Zhiwei. Research on influence of thermal output for different alloying composition specimen[J]. Structure and Environment Engineering, 2009, 36(4): 50–53

4 尹福炎, 王成林. 減小箔式應變片熱輸出分散度的方法[J]. 科技應用, 2004, 30(4): 9–14 YIN Fuyan, WANG Chenglin. Method of reducing thermal output divergence of foil type strain gage[J]. Science and Technology Application, 2004, 30(4): 9–14

5 劉梓才, 喻丹萍, 盧琰琰, 等. 高溫應變片熱輸出測試[J]. 核動力工程, 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

6 劉梓才, 盧琰琰, 何承義. 高溫應變片標定裝置設計[J].原子能科學技術(shù), 2008, 42(Suppl): 704–706 LIU Zicai, LU Yanyan, HE Chengyi. Design of calibration apparatus of high temperature strain gauge[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2008, 42(Suppl): 704–706

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年于太原科技大學獲碩士學位，從事結(jié)構(gòu)力學工作

2012-10-31，

013-01-142

CLC O602