某型涡桨发动机试验的温度测试系统设计

摘  要：温度是发动机工作过程中的重要参数，通过温度测试可以充分地掌握发动机内部和外部的工作状况，为进一步调试、改进设计提供直接的技术支持。本文简要介绍了热电偶、热电阻的测温原理，以某涡桨发动机试验的温度测试需求为例，设计并搭建了适应该发动机试验的温度测试系统，详细论述了温度测试系统的工作流程，并给出了热电阻和热电偶测温系统的误差分析。该系统目前工作稳定可靠，满足精度要求，正应用于该型发动机的各项试验中。
0  引  言
      温度是反映航空发动机工作状态的重要过程参数，发动机各截面气流温度的有效测量对验证发动机各部件和整机的热力学性能和效率至关重要。航空发动机工作范围宽、工作状态多变，其温度参数的测量具有测量范围广、测量精度高、响应速度要求高的特点。
     本文以某型涡桨发动机整机试验的测试要求为例，设计并搭建与发动机试验车台相适应的温度测试系统，为发动机性能校准、定型试验、寿命等研制提供数据支撑。
1温度测试的技术基础.
1.1热电偶测温
1.1.1 热电偶测温原理
     热电偶是由两根不同的导体(或半导体)A和B焊接而成，其中焊接的一端称为测量端(或工作端、热端)，它置于被测介质(温度t)之中。导线连接的另一端置于介质之外的恒温区，称为参考端(或自由端、冷端)，所处的温度为t,如果测量端和参考端所处的温度不同(t>t0)，则在热电偶回路中产生热电势E_AB (t, t0)。。用它进行温度的测量就是依赖产生热电势与两个接合点温度之间的一定关系而实现的。
     基于温标的各种热电偶分度表都是以参考端温度保持在0℃为条件的，所以在查取被测温度时参考端必须为0℃。根据中间温度定律，参考端温度t0不等于0C时，只需要叠加一个温度t,该热电偶对应的热电势Eas (t0, 0) (冷端 补偿热电势)，就可以用对应的分度表查出测量端的温度t。即:

1.1.2 热电偶参考端温度的处理
      90年代，为了实现参考端温度为0℃，需要将碎冰与水.混合存放在保温瓶中，并使它们达到热平衡来作为参考端恒温器。但此种方法每次试验前需要半小时的稳定时间，且试验时间过长会导致冰块融化，参考端温度无法维持在0℃,不适于.工程应用。现在采用等温参考来进行冷端补偿，它利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。冷端补偿电桥的线路如图1所示。

在图1中，Es为供电电压，E0为输出电压，Ei为监控电压，等温参考端温度根据式(2) 得到:

其中 A、B、C 均为常数。
1.1.3 热电偶补偿导线
      在试车台进行温度测试系统搭建时，为了降低测量线路成本，一般采用廉价的补偿导线作为热电偶的延长线，这样可以节省大量的热电偶材料，特别是使用贵金属热电偶时更为明显;同时通过补偿导线可以将热电偶的参考端移至离被测对象较远且环境温度较恒定的地方，这样有利于参考端的补正和测量误差的减少。
热电偶补偿导线一般由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。它是在一定温度范围(包括常温)内具有与所匹配热电偶的热电动势标称值相同的一对导线，用它们连接热电偶和测量装置，以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。
1.2 铂电阻测温
      铂电阻是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。具有精度高、输出信号大、灵敏度高、稳定性好、不需要参考温度点的优点。铂电阻一-般的使用范围是-200 ~ 850℃， 其电阻和温度的关系如下:

2温度测试系统的总体设计
2.1 温度测试需求
      某型涡桨发动机整机试验温度测试的主要目的是对发动机总体性能录取、发动机试车状态监控、发动机全流程参数测量和温度场测量。发动机温度测试包括试验设备上的温度监测和发动机上各流程参数等的温度测量,汇总如表1所示。

2.2 温度测试的系统方案
      根据温度测试需求，由于热电阻在中低温的测量中精度及灵敏度高，采用热电阻作为测量大气温度和发动机进气温度的受感器;而热电偶具有测温范围广、精度高、热惯性小等特点，采用热电偶测量整机的气流流程温度参数，并根据发动机的工况设计专用总温热电偶。两类受感器的参数信号都进入数据采集系统(以下简称数采系统)进行采集处理，热电偶冷端补偿采用等温参考的形式。
2.2.1热电阻测温
      热电阻测温采用A级铂热电阻温度传感器(Pt100) ，测量大气温度及发动机进气温度。热电阻温度测试系统如图2所示，由铂电阻、四芯信号线、VXI数采系统电阻通道和数采计算机组成。

     系统的工作过程是:铂电阻的探头被固定在测点处，由数采系统电阻通道提供一个488uA的恒流源，温度变化引起电阻值变化，通过四芯线将相应的电压信号直接传输到数采系统，数采系统根据电压信号和温度(V-C) 的对应关.系得到测点温度值。
2.2.2热 电偶测温
      热电偶测温选用I级精度的K. T、E型热电偶测量发动机流程参数。热电偶温度测试系统如图3所示，由热电偶、延长型补偿导线、信号线、等温参考、VXI数采系统电压通道和数采计算机组成。

      系统的工作过程是:热电偶的探头安装在对应测点的气流通道中，热电偶的尾部通过补偿导线连接在等温参考端，热电偶测量端和参考端的热电势通过信号线传输到数采系统。在数采系统中，根据等温参考RTD传输的E。和E值，以及式(2)得出参考端温度，将参考端相对于零点的热电势和热电偶电势进行叠加，然后根据热电偶分度表进行工程单位转换，即根据V-C(电势-温度)对应关系得到测点温度。
3温度测试系统的调试及 误差分析
3.1铂电阻温度信号的检测及误差分析
      整机试验选用A级铂电阻(分度号Pt100)，其测试误差由铂电阻测量误差和数据采集系统测量误差两部分组成。在50"C的测量范围内，A级铂电阻的误差为:

3.2热 电偶温度信号的检测及误差分析
      试验采用I级精度的K.T、E型热电偶。其中热电偶温度测试误差由温度受感器测量误差和数据采集系统测量误差及等温参考的误差三部分组成。冷端补偿误差为±0.2℃，数采系统精度为士0.05%F•S,偶丝误差如表2所示。

       当测量压气机出口等温度时，最大测量范围为-40 ~550℃，采用E型I级热电偶，偶丝误差土2.2℃;数采系统的测量误差是士0.33℃;冷端补偿误差土0.2℃。温度测量总误差为:

4结论
      本文以某型涡桨发动机试验的温度测试需求为例，设计并建设了适用于该型发动机试验车台的温度测试系统。该系统经过与数采系统的联调，已通过验收，工作稳定，可扩展性强，满足测试精度要求，现正应用于某型涡桨发动机的各项试验中。