某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的重要參數(shù)，通過(guò)溫度測(cè)試可以充分地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部和外部的工作狀況，為進(jìn)一步調(diào)試、改進(jìn)設(shè)計(jì)提供直接的技術(shù)支持。本文簡(jiǎn)要介紹了熱電偶、熱電阻的測(cè)溫原理，以某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的溫度測(cè)試需求為例，設(shè)計(jì)并搭建了適應(yīng)該發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的溫度測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)論述了溫度測(cè)試系統(tǒng)的工作流程，并給出了熱電阻和熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的誤差分析。該系統(tǒng)目前工作穩(wěn)定可靠，滿足精度要求，正應(yīng)用于該型發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)中。
0  引  言
      溫度是反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的重要過(guò)程參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)各截面氣流溫度的有效測(cè)量對(duì)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)各部件和整機(jī)的熱力學(xué)性能和效率至關(guān)重要。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍寬、工作狀態(tài)多變，其溫度參數(shù)的測(cè)量具有測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度要求高的特點(diǎn)。
     本文以某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)的測(cè)試要求為例，設(shè)計(jì)并搭建與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)車臺(tái)相適應(yīng)的溫度測(cè)試系統(tǒng)，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能校準(zhǔn)、定型試驗(yàn)、壽命等研制提供數(shù)據(jù)支撐。
1溫度測(cè)試的技術(shù)基礎(chǔ).
1.1熱電偶測(cè)溫
1.1.1 熱電偶測(cè)溫原理
     熱電偶是由兩根不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B焊接而成，其中焊接的一端稱為測(cè)量端(或工作端、熱端)，它置于被測(cè)介質(zhì)(溫度t)之中。導(dǎo)線連接的另一端置于介質(zhì)之外的恒溫區(qū)，稱為參考端(或自由端、冷端)，所處的溫度為t,如果測(cè)量端和參考端所處的溫度不同(t>t0)，則在熱電偶回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)E_AB (t, t0)。。用它進(jìn)行溫度的測(cè)量就是依賴產(chǎn)生熱電勢(shì)與兩個(gè)接合點(diǎn)溫度之間的一定關(guān)系而實(shí)現(xiàn)的。
     基于溫標(biāo)的各種熱電偶分度表都是以參考端溫度保持在0℃為條件的，所以在查取被測(cè)溫度時(shí)參考端必須為0℃。根據(jù)中間溫度定律，參考端溫度t0不等于0C時(shí)，只需要疊加一個(gè)溫度t,該熱電偶對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)Eas (t0, 0) (冷端 補(bǔ)償熱電勢(shì))，就可以用對(duì)應(yīng)的分度表查出測(cè)量端的溫度t。即:

1.1.2 熱電偶參考端溫度的處理
      90年代，為了實(shí)現(xiàn)參考端溫度為0℃，需要將碎冰與水.混合存放在保溫瓶中，并使它們達(dá)到熱平衡來(lái)作為參考端恒溫器。但此種方法每次試驗(yàn)前需要半小時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間，且試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致冰塊融化，參考端溫度無(wú)法維持在0℃,不適于.工程應(yīng)用?，F(xiàn)在采用等溫參考來(lái)進(jìn)行冷端補(bǔ)償，它利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化。冷端補(bǔ)償電橋的線路如圖1所示。

在圖1中，Es為供電電壓，E0為輸出電壓，Ei為監(jiān)控電壓，等溫參考端溫度根據(jù)式(2) 得到:

其中 A、B、C 均為常數(shù)。
1.1.3 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線
      在試車臺(tái)進(jìn)行溫度測(cè)試系統(tǒng)搭建時(shí)，為了降低測(cè)量線路成本，一般采用廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的延長(zhǎng)線，這樣可以節(jié)省大量的熱電偶材料，特別是使用貴金屬熱電偶時(shí)更為明顯;同時(shí)通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線可以將熱電偶的參考端移至離被測(cè)對(duì)象較遠(yuǎn)且環(huán)境溫度較恒定的地方，這樣有利于參考端的補(bǔ)正和測(cè)量誤差的減少。
熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線一般由補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層組成。它是在一定溫度范圍(包括常溫)內(nèi)具有與所匹配熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)標(biāo)稱值相同的一對(duì)導(dǎo)線，用它們連接熱電偶和測(cè)量裝置，以補(bǔ)償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。
1.2 鉑電阻測(cè)溫
      鉑電阻是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的溫度傳感器。具有精度高、輸出信號(hào)大、靈敏度高、穩(wěn)定性好、不需要參考溫度點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。鉑電阻一-般的使用范圍是-200 ~ 850℃， 其電阻和溫度的關(guān)系如下:

2溫度測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.1 溫度測(cè)試需求
      某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)溫度測(cè)試的主要目的是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能錄取、發(fā)動(dòng)機(jī)試車狀態(tài)監(jiān)控、發(fā)動(dòng)機(jī)全流程參數(shù)測(cè)量和溫度場(chǎng)測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)試包括試驗(yàn)設(shè)備上的溫度監(jiān)測(cè)和發(fā)動(dòng)機(jī)上各流程參數(shù)等的溫度測(cè)量,匯總?cè)绫?所示。

2.2 溫度測(cè)試的系統(tǒng)方案
      根據(jù)溫度測(cè)試需求，由于熱電阻在中低溫的測(cè)量中精度及靈敏度高，采用熱電阻作為測(cè)量大氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度的受感器;而熱電偶具有測(cè)溫范圍廣、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)，采用熱電偶測(cè)量整機(jī)的氣流流程溫度參數(shù)，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況設(shè)計(jì)專用總溫?zé)犭娕肌深愂芨衅鞯膮?shù)信號(hào)都進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱數(shù)采系統(tǒng))進(jìn)行采集處理，熱電偶冷端補(bǔ)償采用等溫參考的形式。
2.2.1熱電阻測(cè)溫
      熱電阻測(cè)溫采用A級(jí)鉑熱電阻溫度傳感器(Pt100) ，測(cè)量大氣溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度。熱電阻溫度測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，由鉑電阻、四芯信號(hào)線、VXI數(shù)采系統(tǒng)電阻通道和數(shù)采計(jì)算機(jī)組成。

     系統(tǒng)的工作過(guò)程是:鉑電阻的探頭被固定在測(cè)點(diǎn)處，由數(shù)采系統(tǒng)電阻通道提供一個(gè)488uA的恒流源，溫度變化引起電阻值變化，通過(guò)四芯線將相應(yīng)的電壓信號(hào)直接傳輸?shù)綌?shù)采系統(tǒng)，數(shù)采系統(tǒng)根據(jù)電壓信號(hào)和溫度(V-C) 的對(duì)應(yīng)關(guān).系得到測(cè)點(diǎn)溫度值。
2.2.2熱 電偶測(cè)溫
      熱電偶測(cè)溫選用I級(jí)精度的K. T、E型熱電偶測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)流程參數(shù)。熱電偶溫度測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，由熱電偶、延長(zhǎng)型補(bǔ)償導(dǎo)線、信號(hào)線、等溫參考、VXI數(shù)采系統(tǒng)電壓通道和數(shù)采計(jì)算機(jī)組成。

      系統(tǒng)的工作過(guò)程是:熱電偶的探頭安裝在對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的氣流通道中，熱電偶的尾部通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線連接在等溫參考端，熱電偶測(cè)量端和參考端的熱電勢(shì)通過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)綌?shù)采系統(tǒng)。在數(shù)采系統(tǒng)中，根據(jù)等溫參考RTD傳輸?shù)腅。和E值，以及式(2)得出參考端溫度，將參考端相對(duì)于零點(diǎn)的熱電勢(shì)和熱電偶電勢(shì)進(jìn)行疊加，然后根據(jù)熱電偶分度表進(jìn)行工程單位轉(zhuǎn)換，即根據(jù)V-C(電勢(shì)-溫度)對(duì)應(yīng)關(guān)系得到測(cè)點(diǎn)溫度。
3溫度測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試及 誤差分析
3.1鉑電阻溫度信號(hào)的檢測(cè)及誤差分析
      整機(jī)試驗(yàn)選用A級(jí)鉑電阻(分度號(hào)Pt100)，其測(cè)試誤差由鉑電阻測(cè)量誤差和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量誤差兩部分組成。在50"C的測(cè)量范圍內(nèi)，A級(jí)鉑電阻的誤差為:

3.2熱 電偶溫度信號(hào)的檢測(cè)及誤差分析
      試驗(yàn)采用I級(jí)精度的K.T、E型熱電偶。其中熱電偶溫度測(cè)試誤差由溫度受感器測(cè)量誤差和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量誤差及等溫參考的誤差三部分組成。冷端補(bǔ)償誤差為±0.2℃，數(shù)采系統(tǒng)精度為士0.05%F•S,偶絲誤差如表2所示。

       當(dāng)測(cè)量壓氣機(jī)出口等溫度時(shí)，最大測(cè)量范圍為-40 ~550℃，采用E型I級(jí)熱電偶，偶絲誤差土2.2℃;數(shù)采系統(tǒng)的測(cè)量誤差是士0.33℃;冷端補(bǔ)償誤差土0.2℃。溫度測(cè)量總誤差為:

4結(jié)論
      本文以某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的溫度測(cè)試需求為例，設(shè)計(jì)并建設(shè)了適用于該型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)車臺(tái)的溫度測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)與數(shù)采系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，已通過(guò)驗(yàn)收，工作穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足測(cè)試精度要求，現(xiàn)正應(yīng)用于某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)中。