آزمایش هوافضا: الزامات ترموکوپل برای گرمای شدید و لرزش

اجزای هوافضا در طول آزمایش با شرایط غیرقابل بخشش مواجه می‌شوند و-عملیات واقعی-در چرخه‌های گرمای شدید که از زیر-صفر تا صدها درجه سانتی‌گراد می‌چرخند، در حالی که لرزش‌های بی‌رحمانه‌ای را تحمل می‌کنند که حتی محکم‌ترین قسمت‌ها را نیز به خطر می‌اندازد، مواجه می‌شوند. در میان ابزارهای حیاتی برای نظارت بر این محیط‌ها، ترموکوپل‌ها به عنوان راه‌حلی برای اندازه‌گیری دما هستند. با این حال، بسیاری از تیم‌های آزمایش هوافضا با قرائت‌های متناقض، خرابی زودهنگام یا داده‌های نادرست از ترموکوپل‌هایی دست و پنجه نرم می‌کنند که برای چنین سناریوهای سختی ساخته نشده‌اند. علت اصلی اغلب در نادیده گرفتن چگونگی تغییر شکل حرارت و لرزش شدید عملکرد ترموکوپل فراتر از موارد استفاده صنعتی استاندارد است.

ترموکوپل ها بر روی اثر Seebeck کار می کنند، جایی که دو فلز غیرمشابه که در یک اتصال به هم متصل شده اند، ولتاژی متناسب با اختلاف دما بین اتصال اندازه گیری و اتصال مرجع ایجاد می کنند. این اصل ساده آنها را همه کاره می کند، اما همه ترموکوپل ها به خصوص برای کاربردهای هوافضا یکسان نیستند. ترکیبات مختلف آلیاژ محدوده دما، دوام و مقاومت در برابر لرزش را تعیین می کند. برای مثال، ترموکوپل‌های نوع K (کرومل-آلومل) دمایی تا 1260 درجه را تحمل می‌کنند و تحمل لرزش مناسبی را ارائه می‌دهند، که آنها را به گزینه‌ای متداول برای آزمایش‌های هوافضای عمومی تبدیل می‌کند. نوع S (پلاتین{8}رودیوم/پلاتین) در گرمای بالاتر، تا 1600 درجه برتری دارد، اما شکننده‌تر است و در معرض آسیب ناشی از ارتعاشات شدید بدون محافظ مناسب است. نوع J (آهن-کنستانتان) مقرون به صرفه است، اما پایداری خود را بالای 750 درجه از دست می‌دهد و در سوخت خاصی یا محیط‌های اکسیدکننده سریع‌تر خورده می‌شود و استفاده از آن را در شرایط شدید هوافضا محدود می‌کند.

با توجه به تجربه، آسیب ارتعاش یکی از مسائلی است که در آزمایش های هوافضا در مورد ترموکوپل ها دست کم گرفته شده است. -لرزش فرکانس بالا-که در آزمایش موتور یا آزمایش خودروهای مافوق صوت رایج است-می‌تواند اتصالات اتصال را شل کند، سیم‌های سربی را خراب کند یا حتی عنصر ترموکوپل را در طول زمان بشکند. این فقط باعث خرابی سنسور نمی شود. منجر به داده های نامنظم می شود که می تواند مهندسان را در تصمیم گیری های طراحی ناقص گمراه کند. برای کاهش این مشکل، ایمن سازی مکانیکی مناسب قابل مذاکره نیست. ترموکوپل‌ها باید با استفاده از وسایل مقاوم در برابر لرزش، مانند براکت‌های جوشی یا گیره‌های سرامیکی با دمای بالا، به جای نوارهای چسبی که در اثر گرما تخریب می‌شوند و با لرزش جابه‌جا می‌شوند، نصب شوند. روکش فلزی بافته شده در اطراف سیم های سربی نیز محافظت می کند، خستگی سیم را کاهش می دهد و از سایش در برابر سایر اجزا جلوگیری می کند.

گرمای شدید مجموعه ای از چالش ها را به همراه دارد که فراتر از محدوده دمایی است. چرخه حرارتی سریع-جایی که دما ناگهان بالا می‌رود یا کاهش می‌یابد-باعث انبساط و انقباض حرارتی در فلزات ترموکوپل می‌شود، اتصالات را ضعیف می‌کند و منجر به رانش در دقت می‌شود. در محیط های بالاتر از 1000 درجه، اکسیداسیون و تخریب آلیاژ می تواند خواص الکتریکی ترموکوپل را تغییر دهد و خوانش ها را غیر قابل اعتماد کند. در واقع، انتخاب یک ترموکوپل با یک اتصال مهر و موم شده هرمتیک از اکسید شدن و آلودگی ناشی از سوخت، خنک کننده یا گازهای جوی جلوگیری می کند. عایق سرامیکی در سناریوهای گرمای بالا به فایبرگلاس یا پلاستیک ترجیح داده می‌شود، زیرا یکپارچگی ساختاری را تا 1800 درجه حفظ می‌کند و بخارات مضری که می‌تواند در آزمایش اختلال ایجاد کند، منتشر نمی‌کند.