钨铼热电偶在航天器真空热试验中的应用

安万庆，柳晓宁，赵翔宇，朱 熙（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）



钨铼热电偶在航天器真空热试验中的应用

安万庆，柳晓宁，赵翔宇，朱 熙
（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

摘要：目前国内在航天器热试验温度测量方面还没有开展超过1400℃的超高温测量技术研究。文章基于航天器热试验常用热电偶测温原理，分析了钨铼热电偶的结构及制造工艺，并搭建一套热试验测量系统以验证其在航天器真空热试验温度测量系统中的应用。试验结果及数据分析表明，在真空低温环境下钨铼热电偶能够实现1600℃温度测量。

关键词：温度测量；钨铼热电偶；真空热试验；数据分析

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0　引言

温度测量的方法很多，按照测量方式主要分为接触式和非接触式2大类。通常来说接触式温度测量比较简单、可靠、测量精度较高，但因测温元件（温度传感器）与被测介质（试件）需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象；同时受到耐高温材料的限制，不能应用于高温测量。而非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大[1]。

随着我国深空探测任务的开展和天地往返飞行器的研制，航天器及其组件会遇到高温热环境，最大热流密度可达420个太阳常数，温度可达1600℃。而目前国内航天器热试验尚未测量超过1400℃以上的温度，测量传感器的制造工艺、使用方法、安全性、可靠性、寿命等还未掌握。

本文基于常用热电偶测温原理，分析测温传感器的制造工艺及使用方法，并自行搭建测量系统以验证钨铼热电偶是否能够满足航天器热试验1600℃的测量需求。

1　热电偶测温原理

用于航天器真空热试验的测温传感器有热电偶、热敏电阻、铂电阻和二极管测温。表1给出了上述几种测温传感器的性能对比。

表1　测温传感器性能对比Table 1　The temperature sensor’s performance

热电偶测温的基本工作原理是热电效应，又称塞贝克效应，如图1所示，将2种不同材料的导体A和B连接成闭合回路，当2个连接点1与2的温度不同时，如T＞T0，回路中就会产生热电势EAB(T, T0)，该电势的方向和大小与这2种导体的性质和接点温度有关。导体A、B称为热电极，由A、B两极焊接成对后则称之为热电偶。在2个连接点中，连接点1是将两电极焊接在一起，测温时将它置于被测温度场中，故称之为测量端；连接点2处于环境中，要求温度恒定，故称之为参考端[2]。

图1　热电偶测温工作原理Fig. 1　The principle of thermocouple

2　钨铼热电偶结构及制造工艺

2.1钨铼热电偶特点及结构

钨铼热电偶于1931年由Goedecke（戈德克）首先研制出来[3]，是19世纪60—70年代发展最成功的热电偶。钨铼热电偶是一种难熔的金属热电偶，最佳使用温度在2000℃左右，当温度高于2300℃时测量数据会分散，最高使用温度为2800℃。

钨铼热电偶的特点如下：

1）钨铼热电偶在1300℃以下晶粒尚未长大，故其使用寿命很长；但当温度超过1500℃时，其晶粒开始慢慢长大，当晶粒长到与热偶丝直径相当时热电偶会变得十分脆弱。

2）钨铼热电偶极易氧化，适于在惰性或干燥氢气中使用，或用致密的保护管使其与氧隔绝才能使用，不能用于含碳气氛（如在含碳氢化合物的气氛中使用，温度超过1000℃即受腐蚀）。

3）钨或钨铼在含碳气氛中容易生成稳定的碳化物，以致其灵敏度降低并引起脆断，在有氢气存在的情况下，会加速碳化。

目前国内在测量超过1600℃的温度时多采用非接触测温法，但相比于接触法，其测量误差较大。在接触测温传感器中热电偶比较适用于高温测量，但贵金属热电偶价格昂贵且最高测量温度也只能在1800℃，而钨铼热电偶不仅测温上限高，且相对稳定性较好。钨铼热电偶结构如图2所示。

图2　钨铼热电偶结构Fig. 2　The structure of wolfram thermocouple

2.2钨铼热电偶制造工艺

1）制造材料及设备：制造钨铼热电偶需要的材料包含钨铼热偶细丝、耐火泥头、U型石英玻璃管、塑料插件、扁平补偿导线、铝帽快干水泥；主要设备包含热端焊机、自动恒温烤箱、冷端焊机、搅拌器、正负极性检测仪。

2）制造工艺：钨铼热偶丝的理想剪切长度是31mm，温度采集是正极和负极之间的电势差，如果热偶丝长度太短，则热电势在短时间内不易平衡[4-5]；热偶丝越长，热电势越容易稳定，但热偶的热响应时间会相应变长。热电偶的测量端露出水泥表面的高度为13mm，补偿导线距水泥表面的距离为14mm，这样才能保证热电偶温度快速（3s以内）达到热平衡。热偶丝穿过石英管时要保证绞丝分开处在石英管顶部正中，否则热偶丝两极长短不齐，会导致热电势不稳定，并影响最终测量结果的准确性。

补偿导线是在一定温度范围内，热电特性与热电偶热电特性相近的导线。使用补偿导线时要注意：首先不能超出规定的温度范围，只有在0～100℃之间二者才有一致的热电特性；其次极性不能接反，最后分度号须保持一致且两极导线的修剪必须在同一平面上[6]。

快干水泥的绝缘性﹑热传导、强度、耐受等性能的优劣同样非常重要，直接影响测温成败。如果水泥内部有气孔就会导致参考端温度升高；为了使水泥充实平整、没有大的气孔，在浇灌时最好是分为2次，即先浇灌一半，等待约30min，至快干水泥反应完全后再次浇灌。烘烤后的快干水泥应保证具备低热传导率，高强度下仍不会开裂。烘烤后，补偿导线和铝帽之间的绝缘电阻阻值不能小于500MΩ，使用时不能小于5MΩ。回路电阻不能大于3Ω[7]。

3　真空热试验验证

3.1试验简介

本次试验设计以C/C、C/SiC高温复合材料热结构件为试验件，热试验系统工作原理如图3所示。

图3　热试验系统工作原理示意Fig. 3　The sketch map of the working principle of thermal testing system

在系统控制策略方面以石墨作为加热元件的辐射加热系统，石墨加热阵电气控制系统为石墨加热阵提供电能并对加热温度进行控制。电气控制系统包括变压器、可控硅调控柜、钨铼热电偶、温控表等，系统控制原理见图4。

图4　石墨加热阵电气控制系统原理Fig. 4　Schematic diagram of control system for graphite heating

在测量技术方面，钨铼热电偶测量超高温时的安装方式有粘贴、喷涂和机械固定[8]，但高温胶难以耐受1800℃以上的温度、高温热电偶喷涂技术在国内也尚未成熟应用，因此试验中选择机械固定方式，采用石墨螺钉将6个钨铼热电偶压固在C/C试验件表面，如图5所示。试验分2种工况进行。

图5　钨铼热电偶固定状态Fig. 5　The states of wolfram thermocouple fixation

3.2试验结果

1）工况1

工况1为验证程序控制能力及调试温度控制方案，对可控硅控制器输出开度按照10%、20%、30%、35%、40%递增逐步加电，如回路出现过流则下调控制开度为30%，随后断电降温。

图6给出了可控硅控制器输出开度由10%调整至40%期间的温度变化曲线。图7为从高温端开始降温的温度变化曲线，其中3号、6号测点出现失效现象。经分析发现，在第1次加电期间，在温度超过1900℃后，由于3号、6号测点位于加热器前端封口位置，漏热量较大，对热电偶绝缘性造成影响，因此这2个测点失效，测量数据发生跳变。

图6　工况1温度上升曲线Fig. 6　The curves of temperature rising in Case 1

图7　工况1温度下降曲线Fig. 7　The curves of temperature dropping in Case 1

2）工况2

工况2将可控硅控制器输出直接调整为工况1摸索出的40%开度，直至热电偶测量温度达到1600℃，随后断电降温。图8为试验件温度上升及下降曲线，其中2号、3号测点已失效。

试验过程中，在加电12min以后，温度由700℃左右升至2100℃左右，试验温度超过1800℃，各测点高温端温度曲线如图9所示。从图中可看出：1号测点高温端温度虽然未发生大幅度跳变，但与4、5、6号测点相差较大，4、5、6号测点在最高温度区一致性较好；6号测点在较低温区和1、4、5号测点温度偏差较大；在温度升至2110℃时，所有测点测量温度骤降。分析其失效原因可能是：采用机械固定工艺方式的热电偶在经历高温试验温度超过1800℃时发生断裂。

图8　工况2温度上升及下降曲线Fig. 8　The temperature rising and dropping in Case 2

图9　测点高温端温度曲线Fig. 9　The temperature curves at the high temperature part

3.3小结

经过2种工况的试验测试，虽然在温度超过1800℃时会由于绝缘保护装置和固定方式等问题发生温度骤降、测温点失效的现象，但钨铼热电偶完全可以满足1600℃及以下的测温要求，且性能稳定。

图7的6个测点中，2个测点失效，失效率为1/3；在图9的4个测点中，上升段中3个测点出现非稳定工作状态（占3/4）。分析其原因可能是：1）在试验准备阶段，对钨铼热电偶裸丝拧制了热电偶接头后，利用氩弧焊实现热电偶头制作，但是加工质量和工艺较差，无法保证传感器的测温稳定性；2）在热电偶的固定方式上，由于试验温度过高，胶粘技术难以实现（现有高温胶只能耐受800℃以下温度，国内高温试验领域尚未见到成熟应用案例），所以在试验中只能采取稳定性较差的机械安装方式。因此，若要在航天工程中实际应用钨铼热电偶进行高温测量，还需提高热电偶制造工艺及热喷涂固定技术。

3.4试验数据及误差分析

温度越高，钨铼热电偶的校准过程引入的不确定度也越大，因此选择1500℃作为对其进行不确定度评定的温度[9]。

3.4.1由参考点标准器带来的不确定度分量

经检定合格的、在有效期内的铂铑电阻在1500℃时的扩展不确定度温度为3.3℃，且认为是正态分布，包含因子k=2.58，则：

U1T（1500℃）=3.3℃/2.58=1.28℃；

U1（1500℃）=0.00145mV。

3.4.2数据采集设备引起的误差

数据采集使用的是Agilent 4411数字多用表，其额定量程为0～100mV，最大误差＜(读数× 0.005% +量程×0.0035%)，按均匀分布取测量数据最大值参与计算可得：

3.4.3保护套管内外温差的影响

由于采用陶瓷保护套管，根据经验，壁厚为1mm的套管在温度为1500℃时的内外温差小于3℃，按均匀分布考虑，则：

引入各不确定度分量的因素互不相关，因此合成标准不确定度Uc为

计算得到Uc（1500℃）=1.52℃，取包含因子k=2，其扩展不确定度为U（1500℃）=k×Uc=2×1.52℃= 3.04℃。

3.4.4提高测量精度的方法

通过以上不确定度的分量分析，可以总结出以下提高钨铼热电偶测量精度的方法：1）增加参考端保护装置的致密性；2）提高热电偶的安装工艺方法的稳固性；3）提高数据采集仪器的准确度；4）改善钨铼热电偶制造工艺[10]。

4　结束语

本文首先从理论角度分析了航天器热试验常用热电偶及其测温原理，随后对可用于航天器热试验高温测量的钨铼热电偶的结构及制造工艺进行分析。通过钨铼热电偶空芯密封穿舱及超高温绝缘处理技术，实现了其在真空热试验下的超高温测量，验证了其性能指标。结果表明，钨铼热电偶能够满足未来航天器真空热试验超高温度测量的需求，解决了国内航天器热试验在超高温度测量方面的难题。

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（编辑：张艳艳）

The application of wolfram thermocouple in spacecraft thermal test

An Wanqing, Liu Xiaoning, Zhao Xiangyu, Zhu Xi
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:The temperature has not exceeded 1400℃ in the spacecraft thermal test in our country. Based on the principles of the commonly used thermocouple, the structure and the manufactural techniques of the wolfram thermocouple are analyzed, and a measurement system is developed. The application results of the wolfram thermocouple in a spacecraft vacuum thermal test show that it can meet the temperature measurement requirement of 1600℃ in the vacuum thermal environment.

Key words:temperature test; wolfram thermocouple; vacuum thermal test; data analysis

作者简介：安万庆(1987—)，男，硕士学位，主要研究方向为航天器环境试验测控技术。E-mail: wanqing5010@126.com。

基金项目：北京卫星环境工程研究所自主研发项目“真空热试验极高热流模拟技术研究”

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2016-03-16

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.014

中图分类号：TH811; V416.5

文献标志码：A

文章编号：1673-1379(2016)01-0189-05