摘 要:介绍了红外测温仪的工作原理和用红外测温技术测量旋转轮盘温度的结构原理。从旋转轮盘需要低温测量和高温测量的实际要求选取了合适的红外测温仪型号。对某型发动机涡轮盘在加温状态的同一点温度分别采用红外测温仪和热电偶进行了测量。结果表明,红外测温系统可以达到较高的测量精度,可满足工程实际的需要。
1 引 言
随着科学技术的不断发展,红外测温技术已广泛应用于各行业,如钢铁工业、玻璃工业、建材、金属加工、铸造、炉窑和设备诊断等,红外测温仪的最佳设计和新发展为用户提供了各种功能和更多的用途,扩大了选择余地。随着航空事业的发展,发动机各方面的性能不断提高,对试验准确度的要求越来越高[1]。在轮盘旋转试验中,由于轮盘高速旋转,致使热电偶在离心力的作用下被甩断,所以在试验中不能全过程的监测轮盘的温度,只能测到静态的温度,使得实验结果不能确切的反应试验情况,试验的可靠性和可信度降低[2]。在这样的情况下,对轮盘旋转试验器测温系统进行改进,利用红外测温仪对轮盘温度进行非接触测量,实现了轮盘在高速旋转状态下的温度测量,提高了试验的可靠性和可信度,并通过试验证明了红外测温技术在轮盘旋转试验中的应用是成功的。
2 红外测温原理及方法
2.1 红外测温原理
一直以来,温度始终是测量领域最常用和重要的物理参数之一,而在某些情况下,由于受条件限制,不能通过各种测温感头进行直接测量[3]。基于普朗克和玻尔兹曼辐射定律的原理,非接触红外测温仪通过吸收物体表面向外辐射的红外能量来测定物体表面的温度,红外探头将检测到的红外能量转化为电信号,再经过电路运算处理,最终转换成线性的温度信号值,以便实现进一步的信号处理及控制,红外测温仪工作原理如图1所示。
2.2 红外测温方法
真空箱结构及轮盘安装示意图如图2所示。轮盘安装在一个密闭的真空箱体内,在加温状态下,真空箱内环境温度达到300℃左右,如果在箱体内安装红外测温仪需加热保护套,而真空箱内空间较小,不可能安装热保护套。由于测温金属和测量玻璃对红外线的波长要求不一样,测温金属的红外线的波长可穿透一些特种玻璃而对温度测量无影响,所以将红外测温仪安装在真空箱盖外面,通过安装在真空箱盖上的特制专用玻璃来测量轮盘的温度,并对加热电炉进行特殊的结构设计以便红外探头能检测到被测物体上的红外能量[4]。
3 红外测温仪型号的选取
从实际应用要求来看,既要解决压气机盘温度范围50~300℃的低温测量,又要解决涡轮盘叶温度范围350~1000℃的高温测量,并满足轮缘、轮心的温度测定,同时需考虑各种盘叶材料对测量精度的影响。通过对各参数进行比较,从测温范围、红外波长范围和距离系数等因素考虑,选取了德国MB35型红外测温仪,2台测温范围分别在50~ 700℃和100 ~ 1000℃。这样,既可以解决压气机盘低温的测量,又可以解决涡轮盘叶高温的测量。
4 红外测温系统的安装调试
将红外测温系统0~5V的标准输出接入数采系统,通过软件处理,与数采系统集成到一起。红外测温仪的测量精度是在黑体标准温度源上确定的,所以要达到测温仪的精度,发射率是一个重要的参数,设置的发射率值必须与被测物表面的发射率相一致。影响发射率的因素有:材料种类、材料表面的粗糙度、理化结构和材料的厚度[5]。针对目前的试验情况,试验件发射率可通过用红外测温仪和热电偶同时进行测量,调整发射率,直到2种测温方式的温度值相同,这个发射率值就是试验件的发射率[6]。
对某型发动机I级涡轮盘在加温状态时同一点的温度,用红外测温仪和热电偶同时进行测量,以热电偶测量结果校核红外测温结果。通过调整发射率并对测量结果进行比较,两者相差在2℃以内,测量差值在红外测温系统精度的范围内,测量结果如表1所示。
5 红外测温系统在试验中的应用情况
在某型发动机第I级压气机盘低循环疲劳试验的2个子样的试验中,红外测温系统正常、稳定、准确的测取了轮盘的轮缘温度,该数据是试验中的重要参数,在这次试验中,全过程的监测了轮缘温度,解决了轮盘的高速旋转状态下的温度测量问题,提高了试验的可靠性和可信度。
在某型发动机高压涡轮盘超温超转和拉伸试验中,在加温状态时分别对轮缘、轮心的温度用红外测温仪和热电偶同时进行测量,以热电偶测量结果校核红外测温结果。在达到要求的试验温度时,通过调整发射率,使两者测量差值在红外测温系统精度的范围内,测量结果如表2所示。
6 结 论
采用红外测温系统实现了轮盘在高速旋转状态下的温度测量,使得试验中能够全过程的监测试验件的温度,提高了试验的可靠性和可信度。
参考文献:
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[2]王彬,武晓松,余陵.火箭发动机旋转试验台高速轴振型计算与分析[J].弹道学报,2005,17(4):59—63.
[3]孙晓刚,李云红.红外热像仪测温技术发展综述[J].激光与红外,2008,38(2):101—104.
[4]孙延春,马齐爽,姚红宇.能量累积在红外热图像序列处理中的应用[J].光电工程,2008,35(3):40—44.
[5]张猛,刘万崧,杨长保,等.热红外遥感的温度与发射率分离研究进展[J].吉林大学学报,2007,37(S):160—163.
[6]刘凌云,龚荣洲,聂彦.涂层的热红外发射率计算模型[J].光子学报,2006,35(12):1903—1907.
收稿日期:2008-08-26 E-mail:zyx631218@163.com
基金项目:广西科学研究与技术开发计划资助项目(桂科基0731008);桂林电子科技大学资助项目(Z206108)
作者简介:张于贤,(1963-),男,重庆市人,桂林电子科技大学教授,主要从事机械设计及理论、射流理论及应用、超高压容器等的研究。
