某型渦槳發動機試驗的溫度測試系統設計

摘  要：溫度是發動機工作過程中的重要參數，通過溫度測試可以充分地掌握發動機內部和外部的工作狀況，為進一步調試、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，以某渦槳發動機試驗的溫度測試需求為例，設計并搭建了適應該發動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，滿足精度要求，正應用于該型發動機的各項試驗中。
0  引  言
      溫度是反映航空發動機工作狀態的重要過程參數，發動機各截面氣流溫度的有效測量對驗證發動機各部件和整機的熱力學性能和效率至關重要。航空發動機工作范圍寬、工作狀態多變，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。
     本文以某型渦槳發動機整機試驗的測試要求為例，設計并搭建與發動機試驗車臺相適應的溫度測試系統，為發動機性能校準、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(溫度t)之中。導線連接的另一端置于介質之外的恒溫區，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生熱電勢E_AB (t, t0)。。用它進行溫度的測量就是依賴產生熱電勢與兩個接合點溫度之間的一定關系而實現的。
     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，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。現在采用等溫參考來進行冷端補償，它利用不平衡電橋產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
      在試車臺進行溫度測試系統搭建時，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、不需要參考溫度點的優點。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溫度測試系統的總體設計
2.1 溫度測試需求
      某型渦槳發動機整機試驗溫度測試的主要目的是對發動機總體性能錄取、發動機試車狀態監控、發動機全流程參數測量和溫度場測量。發動機溫度測試包括試驗設備上的溫度監測和發動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，并根據發動機的工況設計專用總溫熱電偶。兩類受感器的參數信號都進入數據采集系統(以下簡稱數采系統)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) ，測量大氣溫度及發動機進氣溫度。熱電阻溫度測試系統如圖2所示，由鉑電阻、四芯信號線、VXI數采系統電阻通道和數采計算機組成。

     系統的工作過程是:鉑電阻的探頭被固定在測點處，由數采系統電阻通道提供一個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到數采系統，數采系統根據電壓信號和溫度(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型熱電偶測量發動機流程參數。熱電偶溫度測試系統如圖3所示，由熱電偶、延長型補償導線、信號線、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的熱電勢和熱電偶電勢進行疊加，然后根據熱電偶分度表進行工程單位轉換，即根據V-C(電勢-溫度)對應關系得到測點溫度。
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，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動機試驗車臺的溫度測試系統。該系統經過與數采系統的聯調，已通過驗收，工作穩定，可擴展性強，滿足測試精度要求，現正應用于某型渦槳發動機的各項試驗中。