接觸式熱電偶溫度測量可靠性

摘要:為更多獲取發(fā)動(dòng)機的溫度參數，某型發(fā)動(dòng)機新增20個(gè)溫度測點(diǎn)，用于測量發(fā)動(dòng)機氣瓶、渦輪泵、噴管等組件的表面溫度或其周?chē)沫h(huán)境溫度。溫度測量是發(fā)動(dòng)機工作時(shí)不可缺少的測試項目之一，更準確研究發(fā)動(dòng)機在發(fā)射前預冷及飛行時(shí)與地面試車(chē)熱環(huán)境差異，為研究天地差對發(fā)動(dòng)機所造成的影響提供數據支持，監測發(fā)動(dòng)機組件工作是否正常，及對發(fā)動(dòng)機技術(shù)改進(jìn)提供可靠的參考依據。
　　溫度測量是發(fā)動(dòng)機工作時(shí)不可缺少的測試項目之一,更準確研究發(fā)動(dòng)機在發(fā)射前預冷及飛行時(shí)與地面試車(chē)熱環(huán)境差異,為研究天地差對發(fā)動(dòng)機所造成的影響提供數據支持,監測發(fā)動(dòng)機組件工作是否正常,及對發(fā)動(dòng)機技術(shù)改進(jìn)提供可靠的參考依據。在溫度測量中，溫度變換器與接觸式熱電偶溫度傳感器配套使用，用于測量渦輪泵殼體表面的溫度，發(fā)動(dòng)機地面試車(chē)時(shí)發(fā)現預冷段存在溫度異常升高的問(wèn)題，無(wú)熱源，溫度升高與實(shí)際物理現象不符，溫度參數異常。經(jīng)分析，溫度變換器系列存在共模抑制能力低的問(wèn)題。
　　為提高溫度變換器的共模電壓抑制能力，提高測量的可靠性，計劃采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A，并對電阻、電容進(jìn)行適應性調整;更改后的產(chǎn)品共模電壓抑制能力由約40mV/V提升為3mV/V。將發(fā)動(dòng)機環(huán)境溫度測量準確度由31%提高到3%。攻克了“溫度變換器共模抑制比低”的問(wèn)題。
1引言
　　某型發(fā)動(dòng)機新增20個(gè)溫度測點(diǎn)，用于測量發(fā)動(dòng)機氣瓶、渦輪泵、噴管等組件的表面溫度或其周?chē)?的環(huán)境溫度。溫度測量是發(fā)動(dòng)機工作時(shí)不可缺少的測試項目之一,更準確研究發(fā)動(dòng)機在發(fā)射前預冷及飛行時(shí)與地面試車(chē)熱環(huán)境差異，為研究天地差對發(fā)動(dòng)機所造成的影響提供數據支持，監測發(fā)動(dòng)機組件工作是否正常，及對發(fā)動(dòng)機技術(shù)改進(jìn)提供可靠的參考依據。發(fā)動(dòng)機的溫度測量由溫度傳感器、溫度變換器、溫度傳感器電纜三部分組成。
　　新增溫度測點(diǎn)配套使用的溫度傳感器包括:鉑電阻型和熱電偶型溫度傳感器;溫度變換器根據溫度傳感器輸入形式不同，分為電阻-電壓轉換類(lèi)型和亳伏電壓-電壓轉換類(lèi)型，其內部電路設計有所不同，具體見(jiàn)表1。
 
　　新增溫度測點(diǎn)參加發(fā)動(dòng)機3次試車(chē)后，數據分析時(shí)發(fā)現，使用熱電偶型溫度傳感器的測點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機預冷時(shí)數據異常，在無(wú)熱源的情況下，溫度升高250K，與實(shí)際物理現象不符。經(jīng)計算，該測點(diǎn)的測量精度為31%，遠超出正常+3%的精度要求，如圖1所示。
 
　　經(jīng)分析試驗研究，燃料即液氫和液氧流動(dòng)產(chǎn)生的靜電對熱電偶測量有影響，用同批次同狀態(tài)產(chǎn)品進(jìn)行試驗與電路原理仿真分析，發(fā)現溫度變換器輸出電壓隨共模電壓變化而變化，電壓變化值與共模電壓值基本呈線(xiàn)性關(guān)系。溫度變換器系列存在共模抑制能力低的問(wèn)題。
　　為提高溫度變換器的共模電壓抑制能力，采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A,并對電阻、電容進(jìn)行適應性調整;更改后的產(chǎn)品性能指標滿(mǎn)足技術(shù)條件及任務(wù)書(shū)的要求，同時(shí)經(jīng)過(guò)多次地面試車(chē)考核，共模電壓抑制能力得到明顯提高。
　　通過(guò)對熱電偶溫度測量的可靠性研究,進(jìn)一步提升溫度變換器在氫氧發(fā)動(dòng)機復雜工作環(huán)境狀態(tài)下的測量準確性。
2熱電偶溫度測量技術(shù)原理
2.1基本概念
　　共模電壓:在每個(gè)導體和所規定的參考點(diǎn)之間(往往是大地或機架)出現的相量電壓的平均值?；蛘哒f(shuō)同時(shí)加在電壓表兩測量端和規定公共端之間的那部分輸入電壓的三分之一。
　　共模干擾:定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差。共模干擾在導線(xiàn)與地(發(fā)動(dòng)機機架)之間傳輸，-般指兩根信號線(xiàn)上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲，屬于非對稱(chēng)性干擾。
差模干擾:定義為任何兩個(gè)載流導體之間的不希望有的電位差
　　共模抑制比:為了說(shuō)明差分放大電路抑制共模信號及放大差模信號的能力，常用來(lái)共模抑制比作為一項技術(shù)指標來(lái)衡量,其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數Aud對共模信號的電壓放大倍數Auc之比，稱(chēng)為共模抑制比。
　　儀表放大器:差分放大器的一種改良，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，使放大器適用于測量以及電子儀器上。儀表放大器在線(xiàn)路圖上是一顆運算放大器;但實(shí)際上是由三顆運算放大器所組成的，后級則是差分放大器，用于兩個(gè)輸入端的差分放大。
　　差分放大器:-.種將兩個(gè)輸入端電壓差以一固定增益放大的電子放大器。
　　運算放大器:具有很高放大倍數的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡(luò )共同組成某種功能模塊，它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。
2.2熱點(diǎn)偶溫度傳感器
　　熱電偶溫度傳感器以點(diǎn)焊的方式安裝在發(fā)動(dòng)機被測部位，在安裝時(shí)使用厚度為0.2~0.3mm的不銹鋼壓片，按使用說(shuō)明書(shū)所述敏感部位點(diǎn)焊外見(jiàn)圖2(1)，敏感部位再增加壓片點(diǎn)焊固定措施圖2(2),.根據走線(xiàn)情況固定電纜。
 
　　為了試驗驗證，找出問(wèn)題，溫度傳感器采用了采用了點(diǎn)焊和絕緣后膠粘2種安裝方式，通過(guò)幾次試車(chē)更改溫度傳感器在發(fā)動(dòng)機上的安裝方式，進(jìn)行數據積累，測試結果無(wú)明顯改善，可以判斷溫度傳感器安裝方式對測量結果沒(méi)有較大影響，不是主要原因。
2.3溫度變換器原理
　　溫度傳感器和變換器用于發(fā)動(dòng)機尾段溫度參數的敏感響應，將傳感器輸出的非標準信號轉換為0~5V標準的電壓信號，供后端采集設備使用。溫度變換器安裝在發(fā)動(dòng)機機架上，安裝示意圖見(jiàn)圖3。
 
　　溫度變換器安裝在發(fā)動(dòng)機機架上，溫度變換器多點(diǎn)接地。同時(shí)，溫度變換器在發(fā)動(dòng)機路內有液氫液氧流動(dòng)時(shí)，液體的流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦導致不同位置出現電勢差，造成共模電壓，從而使測試數據穩定性較差，溫升較高，與實(shí)際工況不符，從而可以得出溫度變換器共模電壓抑制能力較差。
2.4產(chǎn)品測試及改進(jìn)分析
　　對參加過(guò)試車(chē)的溫度變換器進(jìn)行復查分析，復查記錄見(jiàn)表2。
 
溫度變換器產(chǎn)品本身無(wú)故障問(wèn)題，
　　溫度變換器共模電壓抑制測試情況見(jiàn)表3。測試方法為:傳感器、變換器正常聯(lián)試，在傳感器信號輸出端與信號地間加直流電壓，測試變換器輸出電壓值。
 
　　經(jīng)測試，發(fā)現溫度變換器輸出電壓隨共模電壓變化而變化，電壓變化值與共模電壓值基本呈線(xiàn)性關(guān)系。
　　溫度變換器輸入端原理圖見(jiàn)圖4。理想情況下，不考慮電阻偏差，共模電壓在0~10V間變化時(shí)，變換器輸出電壓均為4.798V，不隨共模電壓的變化而變化;而圖4中的電阻精度均為0.1%，當電阻存在偏差時(shí)，變換器輸出電壓隨共模電壓的變化而變化，即電阻匹配性能會(huì )導致電路存在共模抑制能力低的問(wèn)題。采用蒙特-卡羅分析法，電阻按0.1%精度隨機取值，采集輸出電壓值，對比有無(wú)共模電壓兩種狀態(tài)下100次數據，見(jiàn)圖5。無(wú)共模電壓時(shí)，變換器輸出電壓為4.792V~4.803V;共模電壓為10V時(shí),變換器輸出電壓為3.388V~5.786V，同時(shí)隨電阻匹配關(guān)系而變化?？梢园l(fā)現共模電壓的影響與電阻匹配關(guān)系相關(guān)。
 
　　經(jīng)分析，溫度變換器存在共模抑制能力弱的問(wèn)題，其共模電壓抑制能力取決于電阻匹配關(guān)系。采用儀表運算放大器AD620代替當前電路,可以解決共模電壓抑制能力弱的問(wèn)題。更改后的原理圖見(jiàn)圖6,分析有無(wú)共模電壓兩種狀態(tài)下，電阻精度按0.1%隨機變化時(shí)變換器輸出電壓，見(jiàn)圖7。經(jīng)仿真，無(wú)共模電壓時(shí)變換器輸出電壓為4.765V~4.773V;有共模電壓時(shí)變換器輸出電壓為4.769V~4.775V?？梢哉J為，采用儀表放大器后，共模電壓對變換器輸出電壓的影響很小，變換器共模抑制能力得到明顯提升。
 
　　采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A,溫度變換器YA8-141-12/17需要進(jìn)行運放替換并對相應器件進(jìn)行更改:
　　運算放大器OP07A和AD620B影響溫度變換器性能指標的參數對比情況見(jiàn)表4。經(jīng)對比，AD620B與OP07A性能相近，但失調電壓和溫漂要高于OP07A，失調電壓最終影響變換器的零位離散性，溫漂最終影響變換器的高低溫誤差。經(jīng)查,溫度變換器產(chǎn)品高溫誤差為0.01%~0.25%，低溫誤差為0.02%~0.21%,經(jīng)估算更換成儀表運放后能夠滿(mǎn)足高低溫誤差最大可能達到0.8%，滿(mǎn)足1%的指標要求。通過(guò)理論分析，可以認為，儀表運放AD620代替OP07方案可行，更改后的產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足性能指標的要求。
 
3實(shí)施效果及試驗驗證
　　溫度變換器更改后進(jìn)行各項摸底測試共模抑制情況見(jiàn)表5。產(chǎn)品共模電壓抑制能力測試情況見(jiàn)表5,測試方法同更改前。對比數據發(fā)現，產(chǎn)品更改后共模抑制能力大幅提升，由約40mV/V提升為3mV/V。
 
　　溫度變換器提高共模電壓抑制能力后，采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A，并對電阻、電容進(jìn)行適應性調整。從溫度變換器更改后的兩次試車(chē)情況，如圖8、圖9所示，通過(guò)數據分析,預冷段平滑下降，無(wú)異常升高現象，溫度正常，溫度變換器更改措施有效。
 
　　經(jīng)驗證，產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)更改后產(chǎn)品各項性能指標滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)和單機技術(shù)條件的要求;從單機測試及搭載試車(chē)情況可知，更改后產(chǎn)品的共模抑制能力得到了明顯提升，更改措施有效。
　　溫度傳感器改進(jìn)后共模抑制能力得到提高，表明電路的抑制溫漂的能力越強。同時(shí)，電路上工藝的改進(jìn)也符合航天相關(guān)標準的要求，為將來(lái)其他的發(fā)動(dòng)機溫度變換器的研制提供了很好的思路，應用前景
廣闊。
4結論
　　本文通過(guò)地面熱試車(chē)過(guò)程中，發(fā)現熱電偶溫度測量異常升高的現象，對溫度傳感器和溫度變換器進(jìn)行了分析，并溫度變換器的改進(jìn)設計，改進(jìn)后的產(chǎn)品通過(guò)多次試驗研究以及地面熱試車(chē)考核，未出現與
　　實(shí)際測量環(huán)境不符合的現象，從而提高了溫度傳感器及變換器測量的可靠性。
　　近年來(lái)，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機試驗的不斷增多，對發(fā)動(dòng)機工作時(shí)組件的溫度及發(fā)動(dòng)機周?chē)h(huán)境的溫度的測量日益重要，溫度超乎尋常的變化往往預示某些組件出現問(wèn)題，溫度變換器測量的研究,對于預研的氫氧發(fā)動(dòng)機、液氧甲烷發(fā)動(dòng)機的測量的研制等具有借鑒意義。