某型渦槳發(fā)動機試驗的溫度測試系統(tǒng)設計

摘  要：溫度是發(fā)動機工作過程中的重要參數(shù),，通過溫度測試可以充分地掌握發(fā)動機內(nèi)部和外部的工作狀況,，為進一步調(diào)試、改進設計提供直接的技術支持,。本文簡要介紹了熱電偶,、熱電阻的測溫原理，以某渦槳發(fā)動機試驗的溫度測試需求為例,，設計并搭建了適應該發(fā)動機試驗的溫度測試系統(tǒng),，詳細論述了溫度測試系統(tǒng)的工作流程，并給出了熱電阻和熱電偶測溫系統(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，正應用于該型發(fā)動機的各項試驗中,。
0  引  言
      溫度是反映航空發(fā)動機工作狀態(tài)的重要過程參數(shù),，發(fā)動機各截面氣流溫度的有效測量對驗證發(fā)動機各部件和整機的熱力學性能和效率至關重要。航空發(fā)動機工作范圍寬,、工作狀態(tài)多變,，其溫度參數(shù)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,。
     本文以某型渦槳發(fā)動機整機試驗的測試要求為例，設計并搭建與發(fā)動機試驗車臺相適應的溫度測試系統(tǒng),，為發(fā)動機性能校準,、定型試驗、壽命等研制提供數(shù)據(jù)支撐,。
1溫度測試的技術基礎.
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),。,。用它進行溫度的測量就是依賴產(chǎn)生熱電勢與兩個接合點溫度之間的一定關系而實現(xiàn)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,，只需要疊加一個溫度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,，并使它們達到熱平衡來作為參考端恒溫器。但此種方法每次試驗前需要半小時的穩(wěn)定時間,，且試驗時間過長會導致冰塊融化,，參考端溫度無法維持在0℃,不適于.工程應用。現(xiàn)在采用等溫參考來進行冷端補償,，它利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來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 熱電偶補償導線
      在試車臺進行溫度測試系統(tǒng)搭建時，為了降低測量線路成本,，一般采用廉價的補償導線作為熱電偶的延長線,，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更為明顯;同時通過補償導線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,。
熱電偶補償導線一般由補償導線合金絲、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(nèi)具有與所匹配熱電偶的熱電動勢標稱值相同的一對導線，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(wěn)定性好、不需要參考溫度點的優(yōu)點。鉑電阻一-般的使用范圍是-200 ~ 850℃,， 其電阻和溫度的關系如下:

2溫度測試系統(tǒng)的總體設計
2.1 溫度測試需求
      某型渦槳發(fā)動機整機試驗溫度測試的主要目的是對發(fā)動機總體性能錄取、發(fā)動機試車狀態(tài)監(jiān)控,、發(fā)動機全流程參數(shù)測量和溫度場測量,。發(fā)動機溫度測試包括試驗設備上的溫度監(jiān)測和發(fā)動機上各流程參數(shù)等的溫度測量,匯總如表1所示,。

2.2 溫度測試的系統(tǒng)方案
      根據(jù)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)動機進氣溫度的受感器;而熱電偶具有測溫范圍廣,、精度高、熱慣性小等特點,，采用熱電偶測量整機的氣流流程溫度參數(shù),，并根據(jù)發(fā)動機的工況設計專用總溫熱電偶。兩類受感器的參數(shù)信號都進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(以下簡稱數(shù)采系統(tǒng))進行采集處理,，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)動機進氣溫度,。熱電阻溫度測試系統(tǒng)如圖2所示,，由鉑電阻、四芯信號線,、VXI數(shù)采系統(tǒng)電阻通道和數(shù)采計算機組成,。

     系統(tǒng)的工作過程是:鉑電阻的探頭被固定在測點處，由數(shù)采系統(tǒng)電阻通道提供一個488uA的恒流源,，溫度變化引起電阻值變化,，通過四芯線將相應的電壓信號直接傳輸?shù)綌?shù)采系統(tǒng)，數(shù)采系統(tǒng)根據(jù)電壓信號和溫度(V-C) 的對應關.系得到測點溫度值,。
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)動機流程參數(shù)。熱電偶溫度測試系統(tǒng)如圖3所示,，由熱電偶,、延長型補償導線、信號線,、等溫參考,、VXI數(shù)采系統(tǒng)電壓通道和數(shù)采計算機組成。

      系統(tǒng)的工作過程是:熱電偶的探頭安裝在對應測點的氣流通道中,，熱電偶的尾部通過補償導線連接在等溫參考端,，熱電偶測量端和參考端的熱電勢通過信號線傳輸?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,，將參考端相對于零點的熱電勢和熱電偶電勢進行疊加,，然后根據(jù)熱電偶分度表進行工程單位轉換，即根據(jù)V-C(電勢-溫度)對應關系得到測點溫度,。
3溫度測試系統(tǒng)的調(diào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量誤差兩部分組成,。在50"C的測量范圍內(nèi)，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)采系統(tǒng)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，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(shù)采系統(tǒng)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)動機試驗車臺的溫度測試系統(tǒng),。該系統(tǒng)經(jīng)過與數(shù)采系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，已通過驗收,，工作穩(wěn)定,，可擴展性強，滿足測試精度要求,，現(xiàn)正應用于某型渦槳發(fā)動機的各項試驗中,。