高温薄膜热电偶的塞贝克系数分度方法研究

作     者：牛兴军 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方立德;卢小丰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：薄膜热电偶 塞贝克系数 不均匀性 热电势 不确定度 

摘      要：温度是影响航空发动机涡轮叶片性能和寿命的重要因素之一,监测和获取涡轮叶片表面温度对航空发动机正常运行有着重大的意义,对涡轮叶片的温度监测就显的十分迫切。高温薄膜热电偶具有响应快、热容小、不改变环境条件及周围温场等优点,因此高温薄膜热电偶成为涡轮叶片温度监测的一种重要传感器。追求高温测量能力的薄膜热电偶由于使用非常规半导体材料,其塞贝克系数分度并没有统一的标准,本文对高温薄膜热电偶的塞贝克系数分度装置和方法进行了研究。针对高温薄膜热电偶测温基本原理和高温薄膜热电偶结构特点的分析,建立了高温薄膜热电偶的测量模型,研制了一套高温薄膜热电偶专用分度系统,该系统包括高温薄膜热电偶塞贝克系数分度装置和不均匀性测试装置。其中,高温薄膜热电偶塞贝克系数分度装置包括分度炉、标准S偶和K偶、纳伏表及Lab VIEW数据采集系统等;高温薄膜热电偶不均匀性测试装置包括标准铂电阻温度计、冷端冷却系统、高度电动位移台及Lab VIEW数据采集系统等。本文通过设计适用于高温薄膜热电偶的专用分度系统和基于Lab VIEW软件的一套数据采集系统,实现了高温薄膜热电偶的塞贝克系数分度及不均匀性评价。本文取得如下创新成果:1.研制了一套高温薄膜热电偶专用分度装置,针对高温薄膜热电偶的特殊结构,设计了一种三段加热、偏心温场的分度炉。较常规的管式炉均匀温场的位置更靠近炉口,且解决了超高温漏电问题。分度炉的温度范围(100～1300)℃,测试了稳定性优于0.05%、高温薄膜热电偶热端±5 mm的温场均匀性优于0.3%。测试并评价了三种类型高温薄膜热电偶的塞贝克系数和不确定度,相对不确定度可达到1.1%。2.基于LabVIEW软件设计了一套专门应用于高温薄膜热电偶分度系统的数据采集系统。该系统实现了高温薄膜热电偶位置自动调节,热电势自动采集、数据处理、实时显示图形等功能,应用于高温薄膜热电偶的塞贝克系数分度和不均匀性测试。实验人员可以观察数据采集图形情况,直观了解实验状态,获取和保持实验数据。3.针对特殊半导体材料的高温薄膜热电偶没有可查的塞贝克系数表,提出了一种计算高温薄膜热电偶冷端温度热电势的拟合方法。通过热端温度与冷端温度的差异ΔT与热电势的多项式拟合,得到T与热电势的关系系数,通过关系式的多次迭代逼近冷端温度的热电势,获取高温薄膜热电偶冷端为0℃时的热电势函数关系。本文通过研制高温薄膜热电偶专用分度系统,设计了一种适用高温薄膜热电偶塞贝克系数分度装置和不均匀性测试装置,基于Lab VIEW软件开发了一套专门应用于高温薄膜热电偶分度系统的数据采集系统。测试了三种不同类型高温薄膜热电偶的塞贝克系数,评估了不确定度水平,为后续的高温薄膜热电偶的研制和应用研究提供了技术支撑。