某型渦槳發(fā)動(dòng)機試驗的溫度測試系統設計

摘  要：溫度是發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中的重要參數，通過(guò)溫度測試可以充分地掌握發(fā)動(dòng)機內部和外部的工作狀況，為進(jìn)一步調試、改進(jìn)設計提供直接的技術(shù)支持。本文簡(jiǎn)要介紹了熱電偶、熱電阻的測溫原理，以某渦槳發(fā)動(dòng)機試驗的溫度測試需求為例，設計并搭建了適應該發(fā)動(dòng)機試驗的溫度測試系統，詳細論述了溫度測試系統的工作流程，并給出了熱電阻和熱電偶測溫系統的誤差分析。該系統目前工作穩定可靠，滿(mǎn)足精度要求，正應用于該型發(fā)動(dòng)機的各項試驗中。
0  引  言
      溫度是反映航空發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)的重要過(guò)程參數，發(fā)動(dòng)機各截面氣流溫度的有效測量對驗證發(fā)動(dòng)機各部件和整機的熱力學(xué)性能和效率至關(guān)重要。航空發(fā)動(dòng)機工作范圍寬、工作狀態(tài)多變，其溫度參數的測量具有測量范圍廣、測量精度高、響應速度要求高的特點(diǎn)。
     本文以某型渦槳發(fā)動(dòng)機整機試驗的測試要求為例，設計并搭建與發(fā)動(dòng)機試驗車(chē)臺相適應的溫度測試系統，為發(fā)動(dòng)機性能校準、定型試驗、壽命等研制提供數據支撐。
1溫度測試的技術(shù)基礎.
1.1熱電偶測溫
1.1.1 熱電偶測溫原理
     熱電偶是由兩根不同的導體(或半導體)A和B焊接而成，其中焊接的一端稱(chēng)為測量端(或工作端、熱端)，它置于被測介質(zhì)(溫度t)之中。導線(xiàn)連接的另一端置于介質(zhì)之外的恒溫區，稱(chēng)為參考端(或自由端、冷端)，所處的溫度為t,如果測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E_AB (t, t0)。。用它進(jìn)行溫度的測量就是依賴(lài)產(chǎn)生熱電勢與兩個(gè)接合點(diǎn)溫度之間的一定關(guān)系而實(shí)現的。
     基于溫標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，所以在查取被測溫度時(shí)參考端必須為0℃。根據中間溫度定律，參考端溫度t0不等于0C時(shí)，只需要疊加一個(gè)溫度t,該熱電偶對應的熱電勢Eas (t0, 0) (冷端 補償熱電勢)，就可以用對應的分度表查出測量端的溫度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，并使它們達到熱平衡來(lái)作為參考端恒溫器。但此種方法每次試驗前需要半小時(shí)的穩定時(shí)間，且試驗時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )導致冰塊融化，參考端溫度無(wú)法維持在0℃,不適于.工程應用?，F在采用等溫參考來(lái)進(jìn)行冷端補償，它利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來(lái)補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。冷端補償電橋的線(xiàn)路如圖1所示。

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

其中 A、B、C 均為常數。
1.1.3 熱電偶補償導線(xiàn)
      在試車(chē)臺進(jìn)行溫度測試系統搭建時(shí)，為了降低測量線(xiàn)路成本，一般采用廉價(jià)的補償導線(xiàn)作為熱電偶的延長(cháng)線(xiàn)，這樣可以節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)補償導線(xiàn)可以將熱電偶的參考端移至離被測對象較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，這樣有利于參考端的補正和測量誤差的減少。
熱電偶補償導線(xiàn)一般由補償導線(xiàn)合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層組成。它是在一定溫度范圍(包括常溫)內具有與所匹配熱電偶的熱電動(dòng)勢標稱(chēng)值相同的一對導線(xiàn)，用它們連接熱電偶和測量裝置，以補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、輸出信號大、靈敏度高、穩定性好、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溫度測試系統的總體設計
2.1 溫度測試需求
      某型渦槳發(fā)動(dòng)機整機試驗溫度測試的主要目的是對發(fā)動(dòng)機總體性能錄取、發(fā)動(dòng)機試車(chē)狀態(tài)監控、發(fā)動(dòng)機全流程參數測量和溫度場(chǎng)測量。發(fā)動(dòng)機溫度測試包括試驗設備上的溫度監測和發(fā)動(dòng)機上各流程參數等的溫度測量,匯總如表1所示。

2.2 溫度測試的系統方案
      根據溫度測試需求，由于熱電阻在中低溫的測量中精度及靈敏度高，采用熱電阻作為測量大氣溫度和發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度的受感器;而熱電偶具有測溫范圍廣、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)，采用熱電偶測量整機的氣流流程溫度參數，并根據發(fā)動(dòng)機的工況設計專(zhuān)用總溫熱電偶。兩類(lèi)受感器的參數信號都進(jìn)入數據采集系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)數采系統)進(jìn)行采集處理，熱電偶冷端補償采用等溫參考的形式。
2.2.1熱電阻測溫
      熱電阻測溫采用A級鉑熱電阻溫度傳感器(Pt100) ，測量大氣溫度及發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度。熱電阻溫度測試系統如圖2所示，由鉑電阻、四芯信號線(xiàn)、VXI數采系統電阻通道和數采計算機組成。

     系統的工作過(guò)程是:鉑電阻的探頭被固定在測點(diǎn)處，由數采系統電阻通道提供一個(gè)488uA的恒流源，溫度變化引起電阻值變化，通過(guò)四芯線(xiàn)將相應的電壓信號直接傳輸到數采系統，數采系統根據電壓信號和溫度(V-C) 的對應關(guān).系得到測點(diǎn)溫度值。
2.2.2熱 電偶測溫
      熱電偶測溫選用I級精度的K. T、E型熱電偶測量發(fā)動(dòng)機流程參數。熱電偶溫度測試系統如圖3所示，由熱電偶、延長(cháng)型補償導線(xiàn)、信號線(xiàn)、等溫參考、VXI數采系統電壓通道和數采計算機組成。

      系統的工作過(guò)程是:熱電偶的探頭安裝在對應測點(diǎn)的氣流通道中，熱電偶的尾部通過(guò)補償導線(xiàn)連接在等溫參考端，熱電偶測量端和參考端的熱電勢通過(guò)信號線(xiàn)傳輸到數采系統。在數采系統中，根據等溫參考RTD傳輸的E。和E值，以及式(2)得出參考端溫度，將參考端相對于零點(diǎn)的熱電勢和熱電偶電勢進(jìn)行疊加，然后根據熱電偶分度表進(jìn)行工程單位轉換，即根據V-C(電勢-溫度)對應關(guān)系得到測點(diǎn)溫度。
3溫度測試系統的調試及 誤差分析
3.1鉑電阻溫度信號的檢測及誤差分析
      整機試驗選用A級鉑電阻(分度號Pt100)，其測試誤差由鉑電阻測量誤差和數據采集系統測量誤差兩部分組成。在50"C的測量范圍內，A級鉑電阻的誤差為:

3.2熱 電偶溫度信號的檢測及誤差分析
      試驗采用I級精度的K.T、E型熱電偶。其中熱電偶溫度測試誤差由溫度受感器測量誤差和數據采集系統測量誤差及等溫參考的誤差三部分組成。冷端補償誤差為±0.2℃，數采系統精度為士0.05%F•S,偶絲誤差如表2所示。

       當測量壓氣機出口等溫度時(shí)，最大測量范圍為-40 ~550℃，采用E型I級熱電偶，偶絲誤差土2.2℃;數采系統的測量誤差是士0.33℃;冷端補償誤差土0.2℃。溫度測量總誤差為:

4結論
      本文以某型渦槳發(fā)動(dòng)機試驗的溫度測試需求為例，設計并建設了適用于該型發(fā)動(dòng)機試驗車(chē)臺的溫度測試系統。該系統經(jīng)過(guò)與數采系統的聯(lián)調，已通過(guò)驗收，工作穩定，可擴展性強，滿(mǎn)足測試精度要求，現正應用于某型渦槳發(fā)動(dòng)機的各項試驗中。