高温冗余薄膜热电偶的关键技术及其研究
发布时间：2021-11-09 14:28
针对普通薄膜温度传感器在测量燃气轮机排气温度时存在测温范围小、可靠性低、响应慢等问题,本文开展了高温冗余薄膜热电偶技术研究,旨在通过热电偶相关理论、冗余结构设计、耦合仿真分析、薄膜溅射技术,初步开发出性能优良的可满足0℃～1000℃测温范围、响应时间小于2秒、高可靠性的快响应高温冗余薄膜热电偶,为新一代大功率燃气轮机排气温度提供检测手段,满足燃气轮机技术发展的需求。本文设计并制作了一种高温冗余薄膜热电偶,旨在实现对燃气轮机排气温度的检测,并对其性能进行研究。本文主要研究内容如下:首先,基于薄膜热电偶的塞贝克效应,讨论了热电偶回路中热电势的来源及产生过程;基于薄膜电子运输原理和尺寸效应,从理论上推导了薄膜电导率的计算公式;提出了薄膜热电偶的冗余可靠性理论,通过对普通薄膜热电偶进行假设检验,建立高温薄膜热电偶可靠性数学模型,并从理论上推导了普通薄膜热电偶和冗余薄膜热电偶的可靠性计算公式。结果表明:随着热电偶工作时间的增加,冗余薄膜热电偶的可靠性越来越接近普通薄膜热电偶的2倍。其次,根据高温冗余薄膜热电偶的设计指标,完成了高温冗余薄膜热电偶的结构、尺寸版图和掩膜版的设计;结合薄膜制备工艺和引...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气轮机工作示意图
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-4-1.2.3薄膜热电偶测温在高温测量领域，薄膜热电偶已逐渐替代传统的丝式热电偶，与传统丝式热电偶相比，薄膜热电偶具有微小型，热容量小，响应速度快，可实现动态温度测量，同时还具有不干扰热流场，不影响构件表面等特点[16-18]，避免了传统热电偶测量位置不准确、响应时间长以及破坏被测物体表面及测量滞后的弊端，特别适于测量快速变化的温度，近年来广泛应用于航空发动机的热部件的瞬态温度测试，以及燃气轮机排气温度的监测[19,20]，如图1-2所示。图1-2燃气轮机排气温度检测示意图Fig.1-2Schematicdiagramofgasturbineexhausttemperaturedetection1.3国内外研究现状1.3.1薄膜热电偶国外研究现状薄膜热电偶最早是由德国人P.Hackemann于二十世纪四十年代中期提出并制造出来的，他研制了厚度约为2μm的薄膜热电偶，并将其成功用于枪膛温度的测量[21,22]。50年代，美国人D.Bendersky在P.Hackemann研究的基础上，研制出了热结点厚度为1μm的薄膜温度传感器，进一步减小了传感器的动态响应时间，并成功应用于测试枪膛内表面在发射瞬间的温度变化情况[23]，D.Bendersky热电偶结构如图1-3所示，它由一支钢管与经过绝缘处理的镍丝组成，表面蒸镀薄膜，膜厚1μm。由于该热电偶的热结点极薄，热惯性小，因而具有很快的响应速度。
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-5-图1-3D.Bendersky薄膜热电偶Fig.1-3.D.Bienderskythinfilmthermocouple60年代，日本的小栗达等人发明出了用于测定内燃机壁面温度的夹板式薄膜温度传感器[24]，如图1-4所示。图1-4夹板式薄膜热电偶Fig.1-4Splinttypefilmthermocouple进入70年代后，英国人Marshall提出将热电极以薄膜的形式直接沉积在被测表面以减小动态响应时间[25]，尽管这种薄膜热电偶的塞贝克系数不高，但当薄膜厚度超过0.25μm，其测量结果能保持较好的一致性。90年代末，英国RR公司采用PtRh10-Pt薄膜热电偶测量了薄壁导向器叶片高达1200℃的温度分布[26,27]。薄膜传感器成功地以薄膜形式直接沉积在试验涡轮导向叶片上。充分利用光刻加工的卓越的分辨能力，在只有35mm的弦的叶片上沉积了16个传感器，传感器之间的最小间隔为2mm。RR公司现已建有生产薄膜温度传感器线，研制的薄膜热电偶已在燃气涡
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学测温技术与物理原理分析[J]. 朱振一. 数学学习与研究. 2019(16)
[2]航空发动机用薄膜热电偶研制[J]. 杨柯,蒋洪川,赵晓辉. 传感器与微系统. 2019(04)
[3]航天器表面瞬态测温用薄膜热电偶的研制[J]. 李振伟,董景龙,刘畅,刘泽元,朱熙,顾磊. 航天器环境工程. 2017(04)
[4]燃气轮机技术发展及应用[J]. 顾士国. 山东工业技术. 2017(16)
[5]燃气轮机技术及发展[J]. 翁一武,闻雪友,翁史烈. 自然杂志. 2017(01)
[6]高温薄膜传感器制备与性能研究[J]. 王强,张久斌,邵靖,程萍,丁桂甫,段力. 传感器与微系统. 2016(11)
[7]中小型燃气轮机应用发展概述[J]. 马强,王文祥,王建丰,洪毅. 石化技术. 2016(05)
[8]燃气轮机排气温度监视保护和故障分析[J]. 李冬. 科技展望. 2016(14)
[9]基于混合模型的燃气轮机负荷与排气温度关系的研究[J]. 王惠杰,苑国庆,张晓博,范志愿,李鑫鑫. 汽轮机技术. 2015(05)
[10]现代航空发动机温度测试技术发展综述[J]. 姚艳玲,代军,黄春峰. 航空制造技术. 2015(12)
硕士论文
[1]高温薄膜热电偶的制备及性能研究[D]. 王洪敏.电子科技大学 2018
[2]控制系统冗余可靠性体系研究[D]. 邬慧清.内蒙古大学 2017
[3]气冷涡轮流热耦合模拟及冷却结构优化设计[D]. 叶莹.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2017
[4]镍基高温合金上贵金属薄膜热电偶的制备及抗氧化性能研究[D]. 梁献乖.电子科技大学 2017
[5]蒸汽发生器传热管双向流热固耦合数值分析[D]. 赵颍杰.哈尔滨工程大学 2017
[6]In2O3/ITO高温陶瓷薄膜热电偶的制备与性能研究[D]. 杨柯.电子科技大学 2016
[7]基于多波长光谱辐射火箭发动机燃气温度测试研究[D]. 陈雨.西北工业大学 2016
[8]发动机燃烧过程对排气温度影响分析及试验研究[D]. 陈功.东北林业大学 2013
本文编号：3485534
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气轮机工作示意图
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-4-1.2.3薄膜热电偶测温在高温测量领域，薄膜热电偶已逐渐替代传统的丝式热电偶，与传统丝式热电偶相比，薄膜热电偶具有微小型，热容量小，响应速度快，可实现动态温度测量，同时还具有不干扰热流场，不影响构件表面等特点[16-18]，避免了传统热电偶测量位置不准确、响应时间长以及破坏被测物体表面及测量滞后的弊端，特别适于测量快速变化的温度，近年来广泛应用于航空发动机的热部件的瞬态温度测试，以及燃气轮机排气温度的监测[19,20]，如图1-2所示。图1-2燃气轮机排气温度检测示意图Fig.1-2Schematicdiagramofgasturbineexhausttemperaturedetection1.3国内外研究现状1.3.1薄膜热电偶国外研究现状薄膜热电偶最早是由德国人P.Hackemann于二十世纪四十年代中期提出并制造出来的，他研制了厚度约为2μm的薄膜热电偶，并将其成功用于枪膛温度的测量[21,22]。50年代，美国人D.Bendersky在P.Hackemann研究的基础上，研制出了热结点厚度为1μm的薄膜温度传感器，进一步减小了传感器的动态响应时间，并成功应用于测试枪膛内表面在发射瞬间的温度变化情况[23]，D.Bendersky热电偶结构如图1-3所示，它由一支钢管与经过绝缘处理的镍丝组成，表面蒸镀薄膜，膜厚1μm。由于该热电偶的热结点极薄，热惯性小，因而具有很快的响应速度。
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-5-图1-3D.Bendersky薄膜热电偶Fig.1-3.D.Bienderskythinfilmthermocouple60年代，日本的小栗达等人发明出了用于测定内燃机壁面温度的夹板式薄膜温度传感器[24]，如图1-4所示。图1-4夹板式薄膜热电偶Fig.1-4Splinttypefilmthermocouple进入70年代后，英国人Marshall提出将热电极以薄膜的形式直接沉积在被测表面以减小动态响应时间[25]，尽管这种薄膜热电偶的塞贝克系数不高，但当薄膜厚度超过0.25μm，其测量结果能保持较好的一致性。90年代末，英国RR公司采用PtRh10-Pt薄膜热电偶测量了薄壁导向器叶片高达1200℃的温度分布[26,27]。薄膜传感器成功地以薄膜形式直接沉积在试验涡轮导向叶片上。充分利用光刻加工的卓越的分辨能力，在只有35mm的弦的叶片上沉积了16个传感器，传感器之间的最小间隔为2mm。RR公司现已建有生产薄膜温度传感器线，研制的薄膜热电偶已在燃气涡
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学测温技术与物理原理分析[J]. 朱振一. 数学学习与研究. 2019(16)
[2]航空发动机用薄膜热电偶研制[J]. 杨柯,蒋洪川,赵晓辉. 传感器与微系统. 2019(04)
[3]航天器表面瞬态测温用薄膜热电偶的研制[J]. 李振伟,董景龙,刘畅,刘泽元,朱熙,顾磊. 航天器环境工程. 2017(04)
[4]燃气轮机技术发展及应用[J]. 顾士国. 山东工业技术. 2017(16)
[5]燃气轮机技术及发展[J]. 翁一武,闻雪友,翁史烈. 自然杂志. 2017(01)
[6]高温薄膜传感器制备与性能研究[J]. 王强,张久斌,邵靖,程萍,丁桂甫,段力. 传感器与微系统. 2016(11)
[7]中小型燃气轮机应用发展概述[J]. 马强,王文祥,王建丰,洪毅. 石化技术. 2016(05)
[8]燃气轮机排气温度监视保护和故障分析[J]. 李冬. 科技展望. 2016(14)
[9]基于混合模型的燃气轮机负荷与排气温度关系的研究[J]. 王惠杰,苑国庆,张晓博,范志愿,李鑫鑫. 汽轮机技术. 2015(05)
[10]现代航空发动机温度测试技术发展综述[J]. 姚艳玲,代军,黄春峰. 航空制造技术. 2015(12)
硕士论文
[1]高温薄膜热电偶的制备及性能研究[D]. 王洪敏.电子科技大学 2018
[2]控制系统冗余可靠性体系研究[D]. 邬慧清.内蒙古大学 2017
[3]气冷涡轮流热耦合模拟及冷却结构优化设计[D]. 叶莹.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2017
[4]镍基高温合金上贵金属薄膜热电偶的制备及抗氧化性能研究[D]. 梁献乖.电子科技大学 2017
[5]蒸汽发生器传热管双向流热固耦合数值分析[D]. 赵颍杰.哈尔滨工程大学 2017
[6]In2O3/ITO高温陶瓷薄膜热电偶的制备与性能研究[D]. 杨柯.电子科技大学 2016
[7]基于多波长光谱辐射火箭发动机燃气温度测试研究[D]. 陈雨.西北工业大学 2016
[8]发动机燃烧过程对排气温度影响分析及试验研究[D]. 陈功.东北林业大学 2013
本文编号：3485534
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