三偶补偿法在瞬态高温气流测量中的应用

　　0 引言

　　在新式武器装备的设计阶段，往往需要对一些关键部位的热工参量进行准确测量，以验证其设计参数。以某预研型号的发动机为例，其气流理论温度在1800 ～ 2000 K，但持续时间很短，同时气流的静压非常低，只有几千帕 ( 绝压) 。在这样的条件下，如果使用一般的屏蔽式热电偶测量，由于无法达到热平衡，响应慢，测量误差甚至高达 1000 K[1]。因此，只能使用裸露式温度传感器来进行测量，但用裸丝结构进行直接测量也会有 100 ～ 400 K 的测量误差[2]。文中介绍的三偶补偿法就是针对这种高温、高速、低压及瞬态的测量环境设计的。

　　1 温度传感器测量原理

　　在高温气流的温度测量中，产生的测量误差主要有导热误差、速度误差和辐射误差[3]。下面就从这三个方面来分析温度传感器的测量原理和测温偏差。

　　1. 1 单支裸丝的测量误差

　　1) 导热误差

　　通常热电偶导杆的直径相对其长度尺寸很小( L/d > 20) ，对于这类细长构件，可以认为其温度只在轴线方向上有变化，在横截面上是均匀一致的，即可以视为一维问题。在一定的条件下，由于其长径比很大，在热接点附近几乎不发生热传导现象，也就是说其导热误差可以忽略不计。

　　2) 辐射误差

　　对于温度传感器辐射误差的分析，通常将其看作置于密闭空腔中的小物体，不论壁面是何种材料，其中的辐射场都具有黑体辐射场的特性，于是可得

式中: Tg为气体有效温度; T 为温度敏感元件的指示温度; Tw为腔壁温度; ε 为温度敏感元件的表面发射率; σ 为斯蒂芬 - 玻尔兹曼常数; h 为对流换热系数。

　　3) 速度误差

　　温度传感器的速度误差在气流马赫数超过 0. 2 时就比较明显了，其定义为

式中: ΔTv为温度传感器的速度误差; T*为气流总温。

　　速度误差通常根据恢复系数 r 来计算:

式中: r 为温度传感器的恢复系数; κ 为绝热指数;Ma 为气流马赫数。

　　1. 2 三偶补偿温度传感器

　　在一般的双偶测量方法中，双偶补偿温度传感器在修正辐射误差时，需要忽略壁温进行计算。但在本文的条件下，壁温在计算中是不能忽略的，而壁温的准确值很难准确测得[4]。为了既考虑壁温的影响，同时形成封闭物理方程组，人们就提出了用三支不同直径的热电偶同时测量高温气流的温度，即所谓的三偶补偿法。

　　三偶补偿温度传感器由粗细不同的三对热电偶组成，其接点结构应保持相同。测量时利用三对热电偶的示值，通过修正获得气流的真实温度。