0 引言

近年來，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，運載火箭高密度發(fā)射，各種新型號發(fā)動機的研制、試驗進入高峰期。在火箭發(fā)動機試驗，尤其是考核試驗件可靠性的抽檢試驗中，溫度測量是關于發(fā)動機性能的重要參數(shù)之一。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍廣等特點，因而成為火箭發(fā)動機試驗中最普遍的溫度測量手段。然而，在試驗過程中，產(chǎn)品所處的力、熱環(huán)境非常惡劣，熱電偶絲材制作的溫度測點容易脫落、折斷。此外，在某些試驗中，測點失效后不具備修復的條件，將造成參數(shù)無法獲取。因此，有必要對熱電偶溫度測量系統(tǒng)進行工藝改進，提高試驗測量系統(tǒng)的可靠性。

1熱電偶溫度測量現(xiàn)狀

熱電偶溫度測量為接觸法，主要根據(jù)熱平衡原理，兩個物體接觸后，經(jīng)過足夠長的時間達到熱平衡，則它們的溫度必然相等。試車臺主要使用T型（銅、康銅）、K型熱電偶（鎳鉻、鎳硅）兩種熱電偶傳感器。T型熱電偶測溫范圍為 ^{-200～400°C} ，K型熱電偶測溫范圍為 0～1 300° 。傳統(tǒng)熱電偶溫度測量接線原理如圖1所示，試驗件待測溫度 t₁?t₂ 處，兩個熱電極及屏蔽線延引至轉(zhuǎn)接件，然后利用同型號溫度補償導線連接參考端 t₀（0^°C 的冰水混合物），并通過主電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。

使用傳統(tǒng)的測溫線路時，每個溫度測點只有一個測溫支路對應。在試驗準備期間，先把熱電偶絲材去掉絕緣層后熔球或絞合，制作成溫度傳感器，再通過粘貼或點焊的方式固定在試驗件表面。由于在發(fā)動機點火過程中，發(fā)動機燃燒產(chǎn)生高溫以及劇烈振動，溫度測點存在脫落、折斷等風險。尤其是在發(fā)動機進行高空模擬試驗時，發(fā)動機以及溫度測點處于密閉的真空艙中，失效后開艙修復代價很高。此外，在某些推進劑貯箱在軌蒸發(fā)試驗中，熱電偶測點先布置在貯箱內(nèi)部，再對貯箱進行焊接密封，這些測點一旦損壞，就無法修復，關鍵溫度參數(shù)測點無法獲取，將對試驗造成不良影響。

2 測溫線路并聯(lián)備份連接方式的應用

針對傳統(tǒng)測溫線路單路測點存在失效風險的缺點，可以采用多路測點同時測量的方法，利用冗余來降低單點失效的風險，然而占用的資源和成本會成倍提升。因此，在傳統(tǒng)測溫線路的基礎上，本文對測溫線路前端傳感器的并聯(lián)備份連接方式進行了研究，其原理如下：

將 n 支同型號熱電偶的正極和負極分別連接在一起的線路稱為并聯(lián)線路。如果 n 支熱電偶的電阻值均相等，則并聯(lián)測量線路的總電動勢等于熱電偶電動勢 E₁，E₂，…，E_n 的平均值 E^[2] ，即：

并聯(lián)線路常用來測量溫度場的平均溫度，并聯(lián)線路的熱電動勢雖小，但測量值的平均值是期望值的最佳估計值，通常在多次測量中總是用算術平均值作為測量結(jié)果。為了得到測量結(jié)果的不確定度，需要知道子樣算術平均值的標準差 δ_x^- ，子樣算術平均值x也是隨機變量，服從正態(tài)分布。概率論證明，當子樣數(shù)據(jù)列的標準差為 δx ，子樣容量為 n 時，則子樣算術平均值x的標準差為：

由上式可知，原數(shù)列的標準差是算術平均值標準差 的 倍，所以并聯(lián)線路其相對誤差僅為單支熱電偶的 ，而且當某支熱電偶斷路時，測溫系統(tǒng)可以照常工作。

在實際溫度測量系統(tǒng)中，把傳統(tǒng)方式每一路溫度測點使用單獨的正負2個熱電極，改為每一路溫度測點在前端并聯(lián)一路甚至多路同型號熱電偶的正負2個熱電極。并聯(lián)位置在熱電偶傳感器與熱電偶補償導線連接處，并聯(lián)熱電偶測點互相為備份測點。圖2為熱電偶并聯(lián)備份測溫線路示意圖。根據(jù)熱電偶并聯(lián)備份測溫線路原理分析可知，當測點某一支路熱電偶斷路時，測溫系統(tǒng)照常工作，確保了試驗參數(shù)獲取率，提升了試驗可靠性。因為并聯(lián)的僅僅是前端長1～2m 的一小段熱電偶傳感器，與數(shù)十上百米的測量電纜相比，并聯(lián)備份既不占用測量通道資源，實現(xiàn)成本也很低。

需要注意的是，當采用并聯(lián)備份測溫線路連接方式時，測得的實際上是2個測點的平均溫度，因此測點應當固定在試驗件同一位置且盡可能靠近。

3 試驗驗證

3.1并聯(lián)備份測溫線路測溫試驗

為了驗證并聯(lián)備份測溫線路的有效性，根據(jù)圖1、圖2分別制作T型、K型熱電偶傳統(tǒng)測溫線路和并聯(lián)備份測溫線路，共計有四種測溫連接方式。測溫線路原理框圖如圖3所示。

T、K熱電偶 冰點 電纜 轉(zhuǎn)接柜 6000采集系統(tǒng)

搭載并聯(lián)備份試驗裝置如圖4所示，測點對應名稱如表1所示。

將熱電偶溫度測點 T₁?T₂?K₁，K₂ 固定于試驗測試件同一表面位置，并置于恒溫箱中，恒溫箱初始溫度設置為 0°C，0 —50s時間區(qū)間恒溫箱設置為 100^°C ，60—110s時間區(qū)間恒溫箱設置為 50°C ，120—170 s時間區(qū)間恒溫箱設置為 200° 。采集系統(tǒng)記錄，對4個測點取恒溫時間區(qū)間內(nèi)15s的數(shù)據(jù)進行平均值計算。T型熱電偶溫度測試結(jié)果曲線如圖5所示，K型熱電偶溫度測試結(jié)果曲線如圖6所示，溫度測試結(jié)果數(shù)據(jù)比對如表2所示。

通過圖5、圖6實時動態(tài)曲線對比可以看出，T、K型熱電偶單路測溫與并聯(lián)備份測溫線路記錄曲線最大相差 1°C 。通過表2靜態(tài)數(shù)據(jù)分析可以看出，T型熱電偶單、雙路最大測溫相差 0.42°C ，K型熱電偶單、雙路最大測溫相差 0.49^°C ，符合熱電偶 ±1.5^°C 的測量允差范圍。

3.2 并聯(lián)備份測溫線路模擬斷路試驗

采用并聯(lián)備份測溫線路，當某支路熱電偶斷路時，測溫系統(tǒng)照常工作，可以有效降低關鍵溫度測點失效的風險。為模擬并聯(lián)備份線路某一支路斷路的現(xiàn)象，在記錄時間120s左右手動剪斷 T₂ 并聯(lián)備份測溫線路某一支路，如圖7所示。圖8為并聯(lián)備份模擬斷路溫度測試的試驗結(jié)果，其中T為傳統(tǒng)單路測溫連接方式， T₂ 為并聯(lián)備份測溫連接方式。從曲線可見，并聯(lián)線路的某一支路斷路后，曲線經(jīng)歷干擾毛刺后瞬間恢復正常，與剪斷前測溫結(jié)果無差異，起到了很好的冗余備份效果[3]。

4 應用效果

某型號發(fā)動機高空模擬試驗中應用并聯(lián)備份測溫線路，測量出的溫度曲線如圖9所示，其中Thb1為并聯(lián)備份測溫連接方式。由圖可知，并聯(lián)備份測溫曲線平滑無干擾，變化趨勢與另外3個溫度測點單路傳統(tǒng)測溫連接方式一致，充分說明了并聯(lián)備份測溫線路的有效性。

5 結(jié)論

使用并聯(lián)備份測溫線路，以較低的成本，實現(xiàn)了熱電偶溫度測點的冗余，確保了試驗的可靠性。根據(jù)試驗結(jié)果，并聯(lián)備份測溫線路與單路測溫線路測量溫度的差異在熱電偶測量允差范圍之內(nèi)。模擬并聯(lián)備份測溫線路某一支路斷路，測溫線路仍能正常工作。并聯(lián)備份測溫線路連接方式有效降低了火箭發(fā)動機試驗、推進劑貯箱在軌蒸發(fā)試驗等熱電偶溫度測量系統(tǒng)的關鍵測點失效風險，提高了試驗測量系統(tǒng)的可靠性。

[參考文獻]

[1]王魁漢.溫度測量實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]樊尚春.傳感器技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]張迎新，雷道振，陳勝，等.非電量測量技術基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.