热电偶 (Thermocouple) 是温度测量仪表中常用的测温元件, 它直接测量温度, 并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表 (二次仪表) 转换成被测介质的温度。由于热电偶具有价格低廉、易于更换, 且有标准接口, 具有很大的温度量程等优点, 在飞机发动机仪表中得到广泛的应用。在飞机上热电偶仪表主要由热电极、绝缘套保护管和接线盒等部分组成, 通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。在飞机日常维护、定期检查、故障排查中需要对热电偶测温系统进行经常性检测。

热电偶温度表的校验过程中往往忽略热电偶冷端补偿导致校验结果超差。分析和研究热电偶冷端补偿原理, 能够有效减少热电偶温度表校验的误差, 提高校验的效率。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路, 当两端存在温度梯度时, 回路中就会有电流通过, 此时两端之间就存在电动势——热电动势, 即所谓的塞贝克效应 (Seebeck effect) 。两种不同成份的均质导体为热电极, 温度较高的一端为工作端 (热端) , 温度较低的一端为自由端 (冷端) , 自由端通常处于某个恒定的温度 (即参考温度) 下。在飞机上热电偶温度表主要用于测量发动机涡轮排气温度、燃气温度等, 由热电极、接线盒和显示仪表配套使用。如图1所示某型热电偶温度表全套设备。

全套设备通过专用补偿导线进行连接。使用补偿导线连接热电偶及显示仪表等交联设备, 不会对热电偶测温产生影响。其原理为, 在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变, 即不受第三种金属接入回路中的影响。

根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的, 不同的热电偶具有不同的分度表。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶, 它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶, 一般也没有统一的分度表, 主要用于某些特殊场合的测量。我国从1988年1月1日起, 热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产, 并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。航空仪表中热电偶的应用大多符合K型分布。以镍铬-镍硅热电偶 (K型) 为例, 其分度表如表1所示。

在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 通过查找分度表即可换算为被测介质的温度。

热电偶测量温度时要求其自由端 (冷端) 的温度保持不变, 其测量端温度变化时, 热电势大小与测量端温度呈一定的比例关系 (可查找该型热电偶的分度表得到) 。若测量时, 冷端的 (环境) 温度变化, 将严重影响测量的准确性。因此, 在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。

热电偶冷端补偿方法:

1、从毫伏到温度:测量冷端温度, 换算为对应毫伏值, 与热电偶的毫伏值相加, 换算出温度;

2、从温度到毫伏:测量出实际温度与冷端温度, 分别换算为毫伏值, 相减後得出毫伏值, 即得温度。

在飞机上, 热电偶冷端所处环境温度会随着飞行高度的不同, 季节气候的不同, 环境温度会存在较大差异。热电偶温度表在设计上充分考虑了冷端补偿。因此在热电偶温度表校验过程和校验设备的研制过程中应充分应用冷端补偿的原理, 否则测量会存在较大误差。

因此对热电偶温度表的校验也应注意热电偶温度表冷端补偿现象。对热电偶温度表的校验主要包括以下几种情形:一是对显示仪表的校验;二是对热电偶热电极、接线盒的校验。

对显示仪表的校验方法是通过外部信号源模拟热电偶在各个温度点输出的电压, 使显示仪表正确指示模拟热电偶对应的温度值 (测试示意图如图2) 。在校验过程中, 一定需要注意的是由于热电偶冷端和显示仪表所处的环境温度一致。由于环境温度在不同时刻和不同飞行高度, 会发生改变, 显示仪表内部在设计的时候已经做了冷端补偿。因此, 在对显示仪表校验的时候在施加模拟热电偶电压时必须考虑显示仪表对环境温度所做的冷端补偿。以K型镍铬-镍硅热电偶的显示仪表为例:若环境温度为20℃, 施加845℃温度模拟信号应为V (850℃) -V (20℃) = (35.314-0.798) m V=34.516 m V, 此时显示仪表应显示845℃。事实上, 若环境温度为20℃, 而不施加模拟热电偶电压, 此时指示仪表会显示20℃。注:V (850℃) 、V (20℃) 可从表1镍铬-镍硅热电偶 (K型) 分度表查表得到。

热电偶的热电极、接线盒的校验主要有两个部分:一是电阻测试;二是热电势测试。

电阻测试主要测量热电偶的静态电阻。电阻测试要求电阻测量精度较高。例如某型带接线盒的热电偶的静态电阻为1.38Ω±0.2Ω, 其测试精度要求≤0.01Ω。在电阻测试时还应注意热电极与电阻表须保持在同一环境温度中。

热电势测试主要测试热电偶是否符合热电势梯度分布要求。一般需要将热电偶放置于温度控制箱中, 通过热电势采集回路测量热电偶热电势输出梯度。热电势采集回路的采集精度要求≤0.01m V。热电势采集回路的测量结果需要对环境温度进行补偿。例如某型带接线盒的热电偶符合K型分布, 当设置温度控制箱温度 (热端) 为500℃, 而热电偶冷端所处的环境温度为20℃时 (如图3) , 测量热电偶电势应为V (500℃) -V (20℃) = (20.64-0.798) m V=19.842 m V (误差范围由热电偶特性决定) 。容易看出对热电偶测试是同样要注意对冷端进行补偿, 即热电势测试的结果应加上冷端环境温度对应的电压值。注:V (500℃) 、V (20℃) 可从表1镍铬-镍硅热电偶 (K型) 分度表查表得到。

本文充分阐述了热电偶工作原理、热电偶分度表、热电偶冷端补偿原理。在应用到热电偶温度表的校验和校验设备研制过程后, 大大提高了热电偶温度表的校验准确度。利用该原理研制的热电偶温度表校验设备, 使用单位及使用者给予了充分的肯定。