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。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);溫度測(cè)試;誤差分析

中圖分類號(hào)：TH811 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）12-0033-03

Abstract：Temperature is a key element of aero engine testing，the inner and outer performance of an aero engine are reflected through temperature measurement，and it is also of great value in providing technical support for further adjustment and improvement. This paper briefly introduced the temperature measurement principle of thermocouple and thermal resistance，designed the structure of temperature measurement system according to the test requirements of a turboprop engines test bench，and explained the working process of the system in details. The error analysis of thermocouple and thermoresistor temperature measurement system is also given. The system has been running stably and can meet the precision requirements，and reliably in all kinds of tests of this turboprop aero engine.

Keywords：aero engine;temperature measurement;error analysis

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t0，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)EAB（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0℃時(shí)，只需要疊加一個(gè)溫度t0，該熱電偶對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB（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。

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。具有準(zhǔn)確度高、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精密測(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、準(zhǔn)確度高、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?。兩類受感器的參?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-℃）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o和Ei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-℃（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

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±0.05%F·S，偶絲誤差如表2所示。

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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐峰.溫度測(cè)量 [Z].湖南：航空航天工業(yè)部608研究所，1992.

[2] 喻秉文.熱電偶＼鉑熱電阻應(yīng)用手冊(cè) [Z].重慶：機(jī)械工業(yè)部重慶儀表材料研究所，1996.

作者簡(jiǎn)介：黃夢(mèng)薇（1988-），女，漢族，湖南湘潭人，工程師，碩士研究生，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。