瞬态加热条件下高温应变计测量误差的修正方法

  摘要:塞块式瞬态量热计是气动加热地面模拟试验模型中表面冷壁热流主要测量手段之一,对塞块式瞬态量热计测试结果进行了误差分析,并采用有限差分原理,建立了数学分析模型,编制了瞬态量热计测量结果修正计算程序,并对一些典型的测试结果进行了修正和分析。

  飞行器在大气层内高速飞行过程中,特别是航天飞行器在再入大气层的过程中,气流受到飞行器周围激波的影响以及由于气体粘性产生的阻滞作用,沿飞 行器外壁面气流的机械能被转换为热能,气流温度急剧升高,在飞行器表面周围高温、高速流场形成了对飞行器很严重的气动加热。因此,气动热防护问题是飞行 器气动和结构设计一定要考虑的一个问题,而利用电弧风洞等地面加热设备,对飞行器的防热材料、防热结构可以进行地面模拟试验研究是飞行器设计过程中的一个非常重 要的环节。在气动热地面模拟试验研究中,常常要模拟的参数有气流温度(焓)、模型表面热流、气流压力、加热时间等。模型表面热流是表征气动加热量和加热 强度的重要参数,热流的准确测量对气动热地面模拟试验的精度有着重要的影响。塞块式瞬态量热计是一种加工、安装、使用等方便而且成本较低的热流测量方式, 但是对于较高热流和较长时间的测量存在铰大测量误差。本文采用有限差分方法,对测量结果做多元化的分析修正,有效地提高了测量的精度。

  塞块式瞬态量热计结构如图1所示,由热流板、塞块、绝缘套、热电偶等组成。根据能量守恒的原理,采用一个导热性能好的塞块,侧面和底面绝热, 传入塞块表面的热量全部被塞块本身吸收,并导致塞块温度上升,经过测量塞块的温升-时间曲线,计算塞块的温度梯度,从而得到传入塞块表面的热流:

  事实上,在被测热流较高时,塞块内温度梯度必然较大,并且随着塞块温度的增加,塞块材料的热物性参数也将随气温变化,因而所获得的热流值与实际值的误差将会较大,所以必须对塞块式瞬态量热计的测量结果进行修正。

  若根据塞块式瞬态量热计的测量原理,用一个圆柱形的紫铜塞块去模拟实际塞块,测量出紫铜塞块底部的气温变化,可获得气流从塞块表面传入的热流。在这里,首先建立此模拟塞块的一维非稳态导热的分析模型:

  上述分析模型的边界条件,与传热学的传统三类边界条件都不一样,在这里塞块表面的换热系数α未知,而气流温度tg和塞块底部的温度随时间变化 已知,要求求出塞块内各时刻的温度以及对流换热系数。因此,在具体算法上采取迭代求解的方式,首先以最下部一个单元的温升作为塞块的平均温升计算输入热 流,计算各点的温升,与最下部点温升作比较,进而对换热系数进行修正,直至最下部点温升接近试验数据。在迭代过程中,根据各点温升,对导热系数、比热 容、密度加以修正。最后获得量热计内各点的温升和换热系数,从而得到气动加热试验所要求真正模拟的冷壁热流。这里以某飞行器气动热地面模拟试验的瞬态量热 计为例,对试验测量结果进行了修正计算。图2是实验测得塞块底部温升曲线是实验获得热流曲线和修正后的温升曲线。

  该瞬态量热计采用导热系数较好的无氧铜材料,在温度为300 k时,比热容cp=0·386 kj/(kg·k),密度ρ=8930 kg/m3,导热系数λ=401 w/(m·k),该材料的物性参数随气温变化而变化。塞块直径9 mm,厚度为12 mm,将塞块沿厚度方向均匀分为10个单元,时间步长为1×10-5s,计算时间为5 s。

  计算根据结果得出,塞块量热计在受到较大热流加热的情况下,内部将很快产生温升梯度,如图2所示,在较长时间的测量过程中,塞块表面温度将远大于 初始值,因此采用塞块式量热计测量模型表面的三个假设都不再成立,必须对试验结果进行修正,才可能正真的保证气动热地面模拟试验的准确性。图3给出了试验获得的热 流曲线和计算修正后的热流曲线,从图中能够准确的看出,在试验开始后短时间之内,塞块内温升很小的情况下,试验值和修正值之间的差别是很小的,但是随着塞块内温度 的提高,试验值和修正值之间的差距慢慢的变大。在此算例中,当试验时间达到4s时,表面温度超过500 k,试验热流值和修正值的差别达到25%,这必将对气动热试验结果产生特别大的影响,因此必须对试验值进行修正。

  采用塞块式瞬态量热计测量较大热流时,由于塞块内温度上升,塞块物性参数都发生了较大变化,试验值已经不能反映模型表面的真实冷壁热流,必须进 行修正。采用一维瞬态导热模型和有限差分的离散方法,对试验数据来进行理论分析修正,能够得到比较真实的冷壁热流,从而能够提高模拟加热试验的准确性。

  对于任何一个流量测量值来说，必须包括两部分内容：一是流量测量值本身；二是它的误差允许范围．否则是不完整的．所以，对于任何一种流量计，都一定要了解它的误差特性。 所谓误差特性，就是流量计的误差值与流量测量值之间的关系。讨论误差特性，就是讨论和研究测量误差值随流量测量值变化而变化的趋势． 容积式流量计的测量误差值E，可由指示值与真值之差与指示值之比表示．设：V为通过流量计的流体体积真值；I为流量计指示值，则误差值E可表示为 E＝ （2－5） 将流体体积V与指示值I之间的关系式（2－3）代入，可得： E＝1－ （2－6） 由式2－6可见，容积式流量计的误差特性仅与流量计内部的计量空间体积v、仪表齿轮比常数a有关．也就是说，从测量原理

  浮子流量计是现在流量计产品中销量最大的一类产品，比如玻璃转子流量计，塑料管浮子流量计，传统的金属管浮子流量计（成丰仪表第三代金属管转子流量计，采用了转子模式），都是属于浮子流量计的行列 拿玻璃转子来说吧，因为安装便捷，使用简单，且价格又便宜，属于销量的大头。流量计都有一个测量的准确度，也就是常说的测量误差的范围。那么有哪些原因会导致浮子流量计的测量误差变大呢？ 1.安装不符合标准要求 一般的玻璃转子流量计都是垂直安装的，安装的时候流量计的倾斜角度不能超过20度 当然也有部分浮子流量计采用水平安装，对于水平安装浮子流量计要保持水平，倾角也不大于20度。 浮子流量计周围100mm空间不得有铁磁性物体。安装的地方要远离阀门变

  变大 /

  通常以的最大刻度值和万用表的误差来表示万用表的性能。万用表的最大刻度值见表1所列，万用表测量的误差见表2所列。 表1万用表的最大刻度值 表2万用表测量误差

  当需要测量的物理量为矢量时，我们应该使用三个正交放置的传感器来分别测量物理量的各个分量，以此来合成一个完整的矢量。如果我们对测量精度要求非常高，就不能仅仅只是对单个传感器进行修正，还要考虑三个传感器的敏感轴是否严格的正交。很多时候我们需要仔细的调整三个传感器的正交关系，但是将三个传感器调整到完全正交是很难的，并且许多时候，由于设计等原因，这种机械上的调校是无法进行的。这时，软件修正就成了必不可少的步骤，软件修正大多数时候也比机械上的调校更简单。 这里介绍一种基本的软件修正方法。它对大多数类型的传感器都可以使用。首先，假设单独的每个传感器的测量的值都是准确的，这可以通过预先对每个传感器进行标定来完成。 这里设三个传感器的测量值

  使用两条线测量电阻非常方便，但会产生测量误差。通过使用4条线及源端子和测量端子分开的万用表，几乎可以消除这种误差。遗憾的是，增加额外的引线和连接提高了测量的复杂程度。您需要连接增加的引线，在从电压变成电阻时，可能不得不更换夹子和探头。现在，有一种新概念，使您能够只用两条引线条线测量电阻？ 管理两条引线的挑战性已经足够大，特别是在紧张的空间中测量小的元器件时。如果您想使用四条引线检查小的焊点、软连接器或芯片电阻器，那么您将面临真正的挑战。 切换引线配置可能要求更换香蕉插头，导致测量错误。从电压探头换成Kelvin引线，然后再换回来，也需要时间。为什么要使用4条线测量电阻呢？ 使用两条线测量

  使用两条线测量电阻非常方便，但会产生测量误差。通过使用4条线及源端子和测量端子分开的万用表，几乎可以消除这种误差。遗憾的是，增加额外的引线和连接提高了测量的复杂程度。您需要连接增加的引线，在从电压变成电阻时，可能不得不更换夹子和探头。现在，有一种新概念，使您能够只用两条引线线电阻测量由于测试引线电压下跌而产生了误差。 图2(右). 4线电阻测量消除了电压引线中的电流，消灭了这一误差来源。 为什么使用4条线测量电阻? 管理两条引线的挑战性已经足够大，特别是在紧张的空间中测量小的元器件时。如果您想使用四条引线检查小的焊点、软连接器或芯片电阻器，那么您将面临真正的挑战。 切

  超声波测厚仪显示值过大或过小原因分析 在实际检测工作中，经常碰到测厚仪示值与设计值(或预期值)相比，明显偏大或偏小，原因分析如下： (1、层叠材料、复合(非均质)材料。要测量未经耦合的层叠材料是不可能的，因超声波无法穿透未经耦合的空间，而且不能在复合(非均质)材料中匀速传播。对于由多层材料包扎制成的设备(像尿素高压设备)，测厚时要特别注意，测厚仪的示值仅表示与探头接触的那层材料厚度。 (2、声速选择错误。测量工件前，根据材料种类预置其声速或根据标准块反测出声速。当用一种材料校正仪器后(常用试块为钢)又去测量另一种材料时，将产生错误的结果。 (3、温度的影响。一般固体材料中的声速随其温度升高而降低，有试

  1引 言 在半导体工艺中许多器件的重要参数和性能都与薄层电阻有关，为提高厚、薄膜集成电路和片式电阻的生产精度，需要用设备仪器如探针台、激光调阻机对其进行测试或修调。一般所用的测量仪器或设备都包含连接、激励、测量和显示单元，有时还有后期数据处理单元。采用不同的测量方法和不同的连接方式引入的测量误差不同，得到的测量精度也不同。通常开关矩阵中继电器触点闭合电阻为1Ω左右，FET开关打开时的电阻为十几欧，引线电阻为几百毫欧。如何根据自身的需求减少测量误差是测试技术的关键之一。 2电阻测试基本原理 在电阻测试中我们常采用恒流测压方法、惠斯通电桥（单臂电桥）和双臂电桥方法。 2.1 恒流测压方法

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