航空发动机试车台热电偶测温的实现方法

2020-06-18饶芊芊

工程与试验 2020年1期

饶芊芊

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

温度是发动机工作过程的重要参数，航空发动机试车中，温度测试范围从环境温度到上千摄氏度，测点多达几百点。温度测量关系到发动机性能、结构强度评定及试车安全，对精度和可靠性的要求很高。航空发动机温度测试工作包括选用正确的测试方法，设计或选用温度传感器，进行正确的测试线路连接，依据数据要求对温度信号进行采集、处理和分析[1]。热电偶结构简单，便于设计成各种感温形式，有较高的测试精度和较低的使用成本；测温范围宽，便于进行温度信号转输和集中处理。因此，由热电偶与数据采集系统、微机配合组建而成的测温系统在航空发动机试车台中得到了广泛应用。

热电偶温度测试系统如图1所示，主要由热电偶、延长型补偿导线、信号线、等温参考、VXI数采系统和微机组成。根据信号类型，信号以模拟量存在的系统为前端，以数字量存在的系统为处理后端。前端的工作原理为热电偶测温，后端的工作原理为VXI数据采集处理。

图1 热电偶温度测试系统

温度、压力、位移、流量等均为模拟信号。微机处理以数字量为基础的，需将模拟量数字化，用数字系统进行处理。模拟量和数字量之间的联系桥梁就是数据采集系统[2]。

1 热电偶测温原理

热电偶测温的基本原理是基于金属导体的热电效应。热电效应产生的电势由两种不同效应引起的，即珀尔帖效应和汤姆逊效应[3]。

1.1 热电效应

在由A、B组成的闭合回路，如果两端结点的温度不同，则回路中就将产生一定大小的电流，这个电流的大小与导体材料和性质以及结点温度有关，此现象称之为塞贝克热电效应。热电效应产生电势的方向和大小，取决于2个结点的温度和组成热电偶的材料，热电偶测温原理如图2所示。

图2 热电偶测温原理图

当两结点的温度为T和T0时，回路的热电势EAB（T，T0）为：

1.2 珀尔帖效应

各种导体中都存在着大量的自由电子，不同导体自由电子的密度也不同。当两种金属连接在一起时，在结点处就要发生电子扩散，电子密度大的金属的自由电子就要向电子密度小的导体扩散。这时电子密度大的金属由于失去电子而具有正电位；相反，电子密度小的金属由于获得了扩散来的多余电子而带负电，这种扩散会持续到动态平衡为止。此时接触电势将具有一定稳定性，该接触电势除与材料的性质有关外，还与结点的温度有关。

1.3 汤姆逊效应

对于单一均质导体，当两端温度不同时，两端也将有一定大小的电势。产生的原因是，在不同温度下，自由电子具有不同的动能，温度高时动能大，动能大的电子就会向温度低的那一端扩散，所以在同一导体内当两端温度不同时，两端也会产生一定大小的电势差（汤姆逊电势），此现象称为汤姆逊效应（可逆）。温差电势的大小可以用式（3）表示：

即热电偶两端存在温差时，其输出的热电热是两个温度函数的差。如果其中一个温度（例如参考端）为0℃时，其热电势与待测温度T呈单值函数关系。

2 热电偶应用定则

测温系统中，热电偶信号经过补偿导线、等温参考、信号线等传输。用热电偶作为敏感元件进行电路设计时，需要用到以下基本法则，以保证热电偶信号在传输过程中的准确性、延续性。

2.1 均质回路定则

由一种均质导体（或半导体）组成的闭合回路如图3所示，无论其导体的截面和长度如何、温度如何分布，都不可能产生热电势，即两根材料成分相同的丝A和A'不能构成热电偶，因为材料相同，即：

当热电偶两端的温度相同时，也不会产生热电势，据此可以检验A、A'两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。

2.2 中间导体定则

在热电偶回路当中，当接入第3种导体时，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路中总热电势没有影响，如图4所示。

2.3 中间温度定则

在热电偶回路A，B中，用导体A'、B'与其相连，当接点的温度为t、t1、t2时，图5所示回路中的热电势可以用下式表示：

上式表明，当A与A'、B与B'材料成分分别相同或材料成分虽不相同，但热电势相等时，热电偶回路中的热电势仅与温度t和t2有关，不受中间温度t1变化的影响，此关系称为中间温度定则。热电偶补偿导线法就是这个定则的实际应用。

图 3 均质回路定则

图 4 中间导体定则

图 5 中间温度定则

热电偶电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。

3 热电偶信号采集与处理

3.1 数据采集基本原理

数据采集系统是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行计算和处理，得出所需数据的系统。它将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监控。

按数据采集信号处理类型，即数据采集设备测量通道类型划分，电量信号可分为频率量和模拟量。以模拟量为例，来自传感器的电量信号要经过整形、放大、滤波、多路选择、采样保持、A/D转换等环节。频率量也有相似的采集处理过程，不同之处在于其转换为数字量的方法是频率/数字转换。

以模拟量采集为例，稳态数据采集设备的工作原理如图6所示。图中，传感器、变送器之后的电量信号为模拟量，其后的信号处理流程是在稳态数据采集设备内部进行。

图6 稳态数据采集设备工作原理图

由于其输出电压相当小（几十毫伏），若直接转换为数字信号，则信号有可能被系统本身的纹波所淹没，而且热电偶测点可能非常多，不可能每一个通道配一个A/D转换器，因此来自热电偶的电压信号要经过放大、多路选择、采样保持、模/数转换等环节。

3.2 电压—温度转换方法

《90国际温标通用热电偶分度表手册》对8种型号的通用热电偶的基本特性分别作了概述，列出了热电偶参考函数分度公式的系数、在固定点上的热电势、热电势率及其导数。热电偶E（t）分度表，便于从温度值迅速查出热电热值，最小间隔为1℃。热电偶数学模型如下：

式中：E为热电动势，单位为mV；t90为ITS-90 的温度值，单位为℃；ci为系数（i=1～10）[4]。

根据数学模型，若已知温度则可以确切地计算出热电势E，但在热电偶测温应用时，已知热电势，求取温度，由于数学模型为高次方程，通常需借助计算机，用某些迭代法或试差法求其近似值，需要较长时间才能完成，满足不了实时采集、显示、记录的需要，有必要寻找低阶多项式拟合t=f（E）。根据最小二乘法，并采用计算机自动分段算法，分别对8种热电偶进行多项式拟合。

2个变量间关系基本呈线性，但是在整个量程范围内线性度不是很高。为了提高变量函数关系式的拟合精度，根据关系模型，采用分段拟合的办法。分段拟合可以是线性拟合，也可以是非线性拟合。如何分段、求取数据样本，则根据测量精度要求而定，可能需要经过多次反复才能最终确定一个较优的分段方案，最终以达到精度要求为目标。热电偶分度表，分了4段拟合方程。以k分度为例，回归方程形式如下所示：

式中：x为采集的mV值；T为温度值（℃）。

按照采集数据在（-2.920，2.436）；（2.436，8.537）；（8.537，34.095）；（34.095，54.875）范围分成4段分别进行拟合（见表1）。

表1 K分度热电偶分段及系数

3.3 VXI数据采集系统的使用

航空发动机地面试车台中所需的测量参数种类多，测点多，热电偶通道就有数百个，且分度种类多，常规整机试车台用到K、E、T，燃烧室部件台还需用到S、B分度，且测量时间长，动态变化快，数据量庞大，要求测试系统有较大的容量和较高的可靠性、准确度[5]。

VXI总线规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与其它标准器件（计算机）之间能够以明确的方式开放通信；使系统体积更小；通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。VXI系统测试功能强大、易于组建、使用灵活，在组建中、大规模的自动测试系统以及对速度、精度要求较高的场合，VXI有着其它系统无法比拟的优势[6]。

我国所使用的主要是美国VTI（原安捷伦）公司、国内成都华太公司和成都纵横公司的VXI产品。

成都华太的VXI-18015S通过SCP（Signal Conditioning Plug-ons）对输入信号进行适当的信号调理，包括放大、滤波、偏置调节和传感器激励，以使许多传感器可直接与VXI-18015S连接使用。SCP的种类很多，可以按需安装，热电偶选用HVI-0704 8ch ×100增益/7 Hz 低通滤波器，将信号调理放大输出给采集系统转换为数字信号并进行数据处理。

数据采集系统根据SCP 的输入信号类型（电压或电流），将采样到的数据转换为SCP 实际的输入电压或电流，然后查找每个通道的EU 转换表进行EU 转换。各通道 EU 转换表可来自内部的标准表，也可由用户下载自行设定。VXI-18015S提供一个DS18B20芯片用于测量机箱内部的温度，在要求不太严格的场合，也可以使用该传感器测得的温度作为冷端补偿温度对热电偶进行温度补偿。

数据显示通过3段程序来实现，Get_TC_EU对电压信号进行读取分段，ReadN_B_S_table对电压信号对照EU转换表分段进行多项式拟合，VXIConvert2按EU转换表并加上冷端补偿电压后转换成温度值显示。

4 误差分析

整个热电偶测温系统的误差由4部分组成，分别是：（1）数据采集系统的误差；（2）分度表线性拟合的误差；（3）冷端补偿的误差；（4）热电偶受感器的误差。VXI数据采集系统的计量周期为1a，精度能达到0.05%，误差偏大时能自动校准；分度表拟合能达到±0.1℃；冷端RTD计量精度能达到±0.2℃。这3部分的误差都非常小，整个试车台测温系统的误差最大来源是热电偶制成的受感器，热电偶偶丝的精度可以达到0.4%，但是由于热电偶受感器的测量对象为发动机流道内高温高速气体，以期可以测得气流总温（动温和静温之合），但是气流动能不可能完全转化为热能测出，及热电偶四周存在热辐射，需要根据测点位置的气动参数来设计一种合理的热电偶结构，使得测温精度达到测试要求。