基于雷诺准则的测温偏差压力工况修正方法

2015-12-28赵俭

计测技术 2015年4期

关键词：修正

基于雷诺准则的测温偏差压力工况修正方法

赵俭

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

摘要：提出了一种温度传感器测温偏差校准结果的压力工况修正方法，并以某裸露式温度传感器为例，进行了测温偏差的压力工况修正。根据雷诺准则，通过改变马赫数的方式来替代压力的改变，对测温偏差的计算修正结果进行了验证。结果表明，计算修正结果与试验数据比较接近，所提出的压力工况修正方法，可以为常压条件下该型温度传感器的测温偏差校准结果提供修正的依据，同时也为其它类型温度传感器的压力工况修正提供了参考。

关键词：雷诺准则；测温偏差；压力工况；修正

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.04.05

中图分类号：TB943

收稿日期：2015-04-01

作者简介：赵俭(1973-)，男，高级工程师，硕士，主要从事特殊条件下温度测量技术和动态温度校准技术研究。

Pressure Working Condition Correction Method for Temperature Measuring Deviation Based on Reynolds Criterion

ZHAO Jian

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：A pressure working condition correction method for temperature measuring deviation calibration results of temperature sensors is proposed in this paper.As an example，temperature measuring deviation of a certain bare-typed temperature sensor is corrected.According to Reynolds criterion，calculated correction results of temperature measuring deviation are validated by the method which replaces change of pressure by that of Mach number.The results show that calculated correction results are near experiment data，and the proposed correction method can not only provide foundation for this type of temperature sensors，but also give reference for other types of temperature sensors.

Key words：Reynolds criterion；temperature measuring deviation；pressure working condition；correction

0引言

在航空发动机领域，高温气流温度是重要的测试参数，主要用来评价发动机性能，进行状态监控等。目前，国内通常采用接触式方法来测量高温气流温度，其中最常用的是基于热电偶的高温气流温度传感器。高温气流温度传感器，由于存在辐射误差、导热误差、速度误差等各类误差，使其测得的温度低于真实气流温度。为保证高温气流温度测量结果的准确性，需要在相似工况下对高温气流温度传感器进行校准，得到温度传感器的综合测温偏差，对测量结果进行修正后使用。

对高温气流温度传感器进行校准，一般是在高温热校准风洞上进行。目前国内的高温热校准风洞，以航空煤油为燃烧介质，气流温度上限可达1700℃，气流马赫数最高为0.9，气流压力为常压。由于风洞气流压力不能模拟航空发动机试验时的实际状况，使得温度传感器测温偏差的校准结果与实际情况存在差异，不能直接将校准结果用于实际测温修正。

1测温偏差校准

气流总温和温度传感器指示温度的差值，即为温度传感器的测温偏差。测温偏差中包含了辐射误差、导热误差和速度误差，其中辐射误差和导热误差合称为传热误差。辐射误差和导热误差分别按式(1)和(2)计算：

(1)

(2)

式中：ΔTc为温度传感器的导热误差，K；Tg为气流有效温度，K；Td为支座温度，K；L为热电偶浸入长度，m；U为热电偶周长，m；λ为热电偶材料导热系数，W/(m·K)；F为热电偶横截面积，m2。

校准时，温度传感器的测温偏差通常按式(3)计算：

ΔT=T0-Tj

(3)

式中：T0为气流总温，K，由参考温度传感器——双屏吸气偶测得。双屏吸气偶是经过精心设计的高准确度气流温度传感器，具有内外两层屏蔽罩，敏感元件置于内屏蔽罩内部。利用真空泵抽气，使被测气流高速流过内外屏蔽罩之间的环形流道，强化气流和内外屏蔽罩之间的对流换热，提高内外屏蔽罩的温度，从而减小双屏吸气偶的辐射误差和导热误差。另外，通过设计合理的内屏蔽罩滞止结构，减小双屏吸气偶的速度误差[1]。

校准时，将双屏吸气偶与被校温度传感器安装于热校准风洞试验段的核心区，调整到规定的气流温度、马赫数工况并充分稳定后，采集记录试验数据，并根据式(3)计算被校温度传感器的测温偏差[2]。校准框图如图1所示。

图1　温度传感器测温偏差校准框图

2工况修正方法

如果温度传感器的使用工况与校准工况完全一致，则将温度传感器的测量指示温度与其测温偏差直接相加，即可得到真实气流总温。但实际情况往往并非如此，由于校准工况与温度传感器的实际使用工况不一致，所以需要对校准结果进行一定的处理之后再用于修正。

通常情况下，测温偏差校准时燃气介质的压力以及环境壁温无法完全模拟。首先考虑环境壁温的问题，环境壁温主要影响的是温度传感器的辐射误差，所以对环境壁温变化前后传感器的辐射误差进行估算。假定某裸露式温度传感器的指示温度为2000 K，环境壁温为1000 K，偶丝的表面发射率为0.18，传感器偶丝与来流的对流换热系数为1000 W/(m2·K)，则该传感器的辐射误差为

将环境壁温变为300 K，其它条件不变，此时传感器的辐射误差为

接下来考虑压力的影响，压力主要是影响到温度传感器与被测介质的对流换热系数，进而影响到温度传感器的辐射误差和导热误差。

一般情况下，当温度传感器的长径比L/d≥10时，其导热误差就很小。通常所说的长径比，包括热电偶丝的长径比和屏蔽罩的长径比，热电偶丝容易满足长径比L/d≥10的条件，而由于空间、强度等的限制，屏蔽罩的长径比则不易满足，但屏蔽罩的温度只是作为一个间接的影响量，通过影响温度传感器的辐射误差而起作用。因此，在高温条件下，温度传感器的测温偏差中辐射误差占主要成分。

以某型裸露式温度传感器(如图2所示)为例，说明压力对温度传感器测温偏差的影响。该型温度传感器为单点水冷裸露式结构，敏感元件为B型热电偶，折转90°后伸出传感器支杆，使用时传感器支杆与气流方向垂直。由于偶丝的长径比足够大，导热误差很小，在此忽略不计，仅考虑压力对温度传感器辐射误差的影响。