某型渦槳發(fā)動機試驗的溫度測試系統(tǒng)設(shè)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(shè)計提供直接的技術(shù)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(shè)計并搭建了適應(yīng)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(yīng)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(xué)性能和效率至關(guān)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(yīng)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(shè)計并搭建與發(fā)動機試驗車臺相適應(yīng)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(shù)基礎(chǔ).
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(dǎo)體(或半導(dǎo)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(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(guān)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(yīng)的熱電勢Eas (t0, 0) (冷端 補償熱電勢),，就可以用對應(yīng)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(dǎo)致冰塊融化,，參考端溫度無法維持在0℃,不適于.工程應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線一般由補償導(dǎo)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(dǎo)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(guān)系如下:

2溫度測試系統(tǒng)的總體設(shè)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(shè)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?cè)绫?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(shè)計專用總溫?zé)犭娕?。兩類受感器的參?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(yīng)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(yīng)關(guān).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(dǎo)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(yīng)測點的氣流通道中,，熱電偶的尾部通過補償導(dǎo)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(zhuǎn)換,，即根據(jù)V-C(電勢-溫度)對應(yīng)關(guān)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(dāng)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(jié)論
      本文以某型渦槳發(fā)動機試驗的溫度測試需求為例,，設(shè)計并建設(shè)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(yīng)用于某型渦槳發(fā)動機的各項試驗中。