薛 寧，劉 正

（西安航天動(dòng)力研究所，西安，710100）

0 引言

液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，流量數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖、混合比等性能參數(shù)密切相關(guān)，是試驗(yàn)過(guò)程必須獲得的關(guān)鍵參數(shù)之一[1]。為了獲得發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及關(guān)機(jī)等過(guò)渡段的流量特性，測(cè)量的方法是使用渦輪流量計(jì)測(cè)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(shí)際使用過(guò)程中，由于渦輪流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝使用環(huán)境截然不同，校驗(yàn)介質(zhì)與試驗(yàn)用真實(shí)介質(zhì)在密度、粘度等物理性能上也存在差異，采用水校驗(yàn)系數(shù)處理推進(jìn)劑流量數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生一定誤差[2]。為了消除實(shí)驗(yàn)室與試驗(yàn)環(huán)境兩者間的差異，提供真實(shí)可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要建立現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，使用真實(shí)介質(zhì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行原位校準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)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(jì)的質(zhì)量流量相等。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)推進(jìn)劑類(lèi)型的不同，考慮其理化性能的差異，采用不同的測(cè)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(cè)量是一個(gè)難點(diǎn)，為此，采用高精度分節(jié)式電容液位計(jì)[1,3,4]作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)。

渦輪流量計(jì)和分節(jié)式電容液位計(jì)均為體積型流量測(cè)量裝置，為了獲得液氧質(zhì)量流量，必須測(cè)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(cè)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(cè)量裝置，并對(duì)參考點(diǎn)進(jìn)行恒溫處理，保證了液氧溫度測(cè)量準(zhǔn)確性。由于熱電偶傳感器自身測(cè)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(cè)量值和理論值相比，還是存在一定差異，會(huì)導(dǎo)致液氧密度測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，對(duì)液氧容器中的溫度進(jìn)行測(cè)量，可降低溫度測(cè)量誤差，達(dá)到提高密度測(cè)量準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高液氧流量測(cè)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(guó)內(nèi)外根據(jù)溫度測(cè)量對(duì)象和技術(shù)要求的不同，使用不同類(lèi)型的溫度傳感器，其測(cè)溫原理、測(cè)溫范圍及測(cè)量精度各不相同。

可用于低溫測(cè)量的傳感器有多種類(lèi)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(cè)量是相對(duì)測(cè)量，即與某一參考點(diǎn)進(jìn)行溫度對(duì)比得到測(cè)量數(shù)據(jù)。由于受冷端補(bǔ)償誤差、分度誤差以及動(dòng)態(tài)誤差等因素的影響，其測(cè)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(lì)，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的方式測(cè)量溫度值，以常用的Pt100型鉑電阻為例，液氧溫區(qū)內(nèi)，其測(cè)量精度為±0.51℃，電阻值小于26 Ω。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，從傳感器至采集設(shè)備之間的傳輸電纜一般長(zhǎng)達(dá)上百米，過(guò)長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)，即使不計(jì)熱噪電阻，并通過(guò)三線(xiàn)制或四線(xiàn)制測(cè)量方法消除連線(xiàn)電阻對(duì)測(cè)量精度的影響其導(dǎo)線(xiàn)電阻影響也無(wú)法忽略，對(duì)測(cè)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(cè)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(xiàn)路電阻的影響。為此，選擇熱敏電阻傳感器搭建低溫溫度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)液氧低溫溫度進(jìn)行測(cè)量。

1.2 熱敏電阻傳感器的特點(diǎn)

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(guò)渡金屬氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，通過(guò)不同材料的組合，對(duì)電阻值和溫度特性進(jìn)行調(diào)整，其電阻測(cè)量范圍寬，可用來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)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(jiǎn)單、電阻隨溫度變化能力強(qiáng)、并能測(cè)細(xì)小溫度變化的特點(diǎn)。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(duì)溫度T時(shí)的阻值，kΩ；0TR為熱敏電阻在絕對(duì)溫度T0時(shí)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(cè)量系統(tǒng)的建立

2.1 液氧分層溫度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

為了保持溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性與可追溯性，并對(duì)測(cè)量效果進(jìn)行評(píng)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(jì)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(xiàn)長(zhǎng)度，對(duì)熱敏電阻傳感器采用四線(xiàn)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(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)激勵(lì)電源正端、激勵(lì)電源負(fù)端、信號(hào)正端以及信號(hào)負(fù)端。其中，激勵(lì)電源正端、信號(hào)正端引線(xiàn)由同一端引出，激勵(lì)電源負(fù)端、信號(hào)負(fù)端由另一端引出，對(duì)接點(diǎn)進(jìn)行處理，保證接點(diǎn)間絕緣良好，避免出現(xiàn)短路現(xiàn)象。外引線(xiàn)制作完成后，對(duì)封裝完成后的熱敏電阻傳感器進(jìn)行液氧低溫試驗(yàn)，測(cè)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(xiàn)的絕緣、溫度特性。

2.2 熱敏電阻的測(cè)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?yàn)闊崦綦娮璧膶?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(shí)，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(cè)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(gè)步驟，江蘇衛(wèi)視《非誠(chéng)勿擾》的輿論形成過(guò)程可分為如下幾步：(1)來(lái)自社會(huì)各界的男女嘉賓秉持著共同的目標(biāo)——尋找異性伴侶，來(lái)到江蘇衛(wèi)視《非誠(chéng)勿擾》的舞臺(tái)；(2)舞臺(tái)上，男女嘉賓提出各自觀(guān)點(diǎn)，產(chǎn)生沖突、爭(zhēng)論；(3)主持人從中調(diào)和，專(zhuān)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(chǎng)內(nèi)輿論；(5)輿論話(huà)題延伸到場(chǎng)外，形成場(chǎng)外輿論，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；(6)場(chǎng)內(nèi)輿論和場(chǎng)外輿論相結(jié)合，形成《非誠(chéng)勿擾》輿論網(wǎng)絡(luò)。如圖3。

2.3 熱敏電阻溫度測(cè)量方法

由于熱敏電阻具有較大的非線(xiàn)性特性，一般需要線(xiàn)性化處理，使輸出電壓與溫度接近線(xiàn)性關(guān)系。熱敏電阻線(xiàn)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(lì)的方法對(duì)熱敏電阻進(jìn)行處理。熱敏電阻元件為兩線(xiàn)制，采用恒流激勵(lì)的測(cè)量方法，對(duì)原件進(jìn)行四線(xiàn)制處理，即兩端各引出兩根引線(xiàn)，一組引線(xiàn)作為恒流激勵(lì)源的輸入端，另一組作為熱敏電阻信號(hào)輸出端。熱敏電阻阻值與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

式中 V測(cè)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(lì)源的設(shè)計(jì)

使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置的熱電阻測(cè)量模塊進(jìn)行熱敏電阻溫度測(cè)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(lì)程控可調(diào)。

在液氧溫區(qū)熱敏電阻阻值在30 kΩ左右，通過(guò)計(jì)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(duì)恒流源進(jìn)行處理，達(dá)到熱敏電阻輸出值不超過(guò)測(cè)量量程，且熱敏電阻不會(huì)發(fā)熱。

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

圖1 恒流激勵(lì)電源接線(xiàn)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(diǎn)分別為恒流源正、負(fù)端，3、4點(diǎn)為信號(hào)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(yàn)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(guò)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(dú)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(diǎn)的電阻值。溫度步進(jìn)長(zhǎng)度可以自行選擇，由于熱敏電阻本身測(cè)溫區(qū)間較窄，只有20 K左右，可以將步進(jìn)長(zhǎng)度定為0.5 K。

3.2 熱敏電阻傳感器的校驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理方法

溫度測(cè)量系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)模擬溫度量校驗(yàn)。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。現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)，斷開(kāi)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(yàn)原理如圖2所示。

圖2 熱敏電阻測(cè)量系統(tǒng)校驗(yàn)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(duì)熱敏電阻溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，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(gè)數(shù)量級(jí)。

為了提高液氧測(cè)量準(zhǔn)確性，采用多檔校驗(yàn)的方法對(duì)熱敏電阻進(jìn)行校驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理。即校驗(yàn)時(shí)，根據(jù)熱敏電阻分度表，按照其對(duì)應(yīng)電阻值等間距施加標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行11檔校驗(yàn)，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(jì)算溫度值。

式中 UK，UK+1為新分度表中電壓值，滿(mǎn)足分別為新分度表對(duì)應(yīng) UK和 UK+1的溫度值，K；T為測(cè)量的溫度值，K。

4 數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)量裝置一起，已參與完成了多次試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量任務(wù)，多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)過(guò)程中容器溫度對(duì)比曲線(xiàn)Fig.3 Contrast Curve of Vessel Temperature during Test

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

5 結(jié)束語(yǔ)

采用熱敏電阻傳感器，利用雙重手段對(duì)液氧溫度進(jìn)行測(cè)量，不但可以全程觀(guān)測(cè)溫度變化趨勢(shì)，也能準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)到某一區(qū)域內(nèi)的溫度值，減小了測(cè)量系統(tǒng)誤差，保證了參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，提高了液氧密度測(cè)量準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步提高液氧流量測(cè)量準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，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(cè)量方法，提高液氧溫度測(cè)量準(zhǔn)確性。