航空发动机热电偶传感器稳态测温偏差分析

杨亚男

摘要：近年来，科学技术的发展迅速，我国的航空工程建设的发展也有了改善。在航空发动机领域，低压涡轮后温度是重要的测试参数，低压涡轮后温度测量的准确与否，会直接影响到对发动机性能及状态的判断。因此，保证低压涡轮后温度测量的准确性十分重要。目前某型涡扇发动机上用于测量低压涡轮后温度的传感器为热电偶型传感器，由于低压涡轮后高温、高压、高马赫数的复杂恶劣工作环境影响，该类传感器在测量温度时会受到辐射误差、导热误差、速度误差等测量误差的影响，导致实际测量的温度低于气流的真实温度，而在航空发动机领域，对温度测量准确性的要求很高，为保证发动机上低压涡轮后温度测量的准确性，需对选用的热电偶型温度传感器稳态测温偏差开展进一步研究，明确其是否能够满足发动机的使用需求。

关键词：航空发动机;热电偶传感器;稳态测温偏差分析

引言

航空发动机作为一种复杂的透平类机械，具有结构复杂、零部件多、功率大、工作状态严苛等特点，在材料、制造、装配、工艺等多方面提出较好的技术要求，保证航空发动机健康运行的监测、诊断、维修、保养等工作也存在较多技术难度，通过监测手段获取性能状态信息，应用故障诊断技术及算法对性能状态参数进行计算、分析，获取故障机理并依据诊断结论制定维修、保养策略，在故障早期进行准确预警及诊断为其后续机组维护提出可行建议。利用热喷涂技术进行温度传感器的原位制造与微加工，并对样品进行了静态标定试验、高温高速燃气冲击试验、高速旋转轮盘试验等系列性能考核，通过理论模型的建立，讨论了涂层对测温结果的影响规律。

1 原理与特点

热电偶检定系统是将外观检查合格的热电偶放入专用检定炉后，连接热电偶导线至控制系统，进行标准点的升温与降温控制，并将实际温度与标准温度进行对比，从而确定热电偶的性能好坏的检定系统。

1. 1 工作原理

热电偶检定系统中的专用检定炉一般采用电阻元件来完成内部的加热，其校准的热电偶材料为镍铬 -镍铝，输出电压为 6 mV 左右，由单片机控制电炉丝的通断，控制检定炉的温度，在到达标准温度以后，系统会自动将标准值与实际值进行对比，确认其是否合格。

1. 2 冷端补偿的选择

在航空发动机试车台仪表室使用冷端恒温法，即将冷端置于保护膜内，然后将保护膜放入装有冰水混合物的保温桶中，从而使冷端维持在 0 ℃。

1. 3 热电偶检定系统组成

数字部分是单片机，模拟部分包括专用检定炉、镍铬 - 镍铝热电偶、A/D 放大器等。

1. 4 热电偶检定系统的自动控制

热电偶检定系统使用了 PID 控制技术，输入标准值后系统自动升温到最高点，然后从大到小逐步降温到每个标准值，并在数值稳定后将实际值与标准值进行对比，最后打印出来。校准过程如图 2 所示。热电偶检定系统加入了比对功能，在误差超出规定值的情况下会停止校准，返回初始状态，这是因为航空发动机使用的 T4 热电偶一共使用 4 个镍铬 - 镍铝传感器，在校准过程中，一个传感器受损或一段线路开路、短路时，温度就会出现超差，必须更换传感器才能继续进行校准。加入比对系统后省去了大量不必要的校准时间，提高了测量效率。

2 K型热电偶温度传感器故障分析

K型热电偶感温元件故障模式可以分为：阶跃故障、漂移故障、断路故障。

K型热电偶感温元件出现漂移故障时，其故障现象一般为温度传感器输出温度与实际温度之间存在随温度或时间变化的偏差。造成漂移故障的原因为：K型热电偶出现短程有序转变现象，镍铬合金容易在450℃～600℃出现原子排列的变化，从而导致其热电势与温度的关系出现变化，造成测量值的漂移。

K型热电偶感温元件出现断路故障时，其故障现象一般为热电势恒定为0，温度传感器输出恒为0。造成断路故障的原因为：

1）热电偶丝的膨胀系数与固定骨架的膨胀系数不同，在长期的热循环中会造成热电偶丝过度伸缩而断裂;

2）在强振动环境下，绝缘管扭曲导致热电偶丝因扭力作用出现断裂;

3）硫化物造成高温化学腐蚀，当腐蚀到达一定程度时会造成热电偶丝的断裂，由于腐蚀造成的断裂其断面一般有晶界侵蚀的空洞;

K型热电偶感温元件出现阶跃故障时，其故障现象一般为温度传感器输出输出温度与实际温度之间存在一定偏差，且偏差的变化范围不大。造成阶跃故障的原因为：

1）保护管破损，电偶丝与测温环境中的水分接触出现孔蚀、应力腐蚀、龟裂等现象，故障出现后一般测量值低于实际温度;

2）热电偶丝劣化。

造成热电偶丝劣化的原因可以分为两种：正常劣化和异常劣化。正常劣化会造成热电偶的输出电势变高，异常劣化则会造成热电偶的输出电势变低。正常劣化是由于Ni-Cr电极在长期使用过程中表面形成致密的Cr2O3氧化层，造成测量值偏高。异常劣化是由于Ni-Cr电极在长期使用过程中形成NiCr2O4氧化层，该氧化层容易出现龟裂并从电极上脱落造成进一步的氧化，造成测量值偏低。

3）仪器控制不准确或无法控制的故障处理

故障处理的方法为：①确认设定是否正确;②检查输出电压是否符合仪器工作状况：③标准指示未达到设定值，输出指示灯亮，表示输出端子有 220 V 电压;没写自鉴定的设备和型号 怎么知道仪器是这么操作的呢？温度场不均匀调整： 可任意调整检定夹具方向，获得最佳位置，使温度场均匀。如果字数不够，需要凑的话 可以写冷端补偿的内容

結语

热电偶传感器测温偏差主要受辐射误差的影响，辐射误差随着气流速度和工作压力的增加而降低;随着测量温度的增加而增加。

参考文献

[1]宋军强，潘慕绚，黄金泉.航空发动机分布式控制系统技术分析及系统方案[J].航空动力学报，2013（10）：391-400.

[2]李宏新，李国权.航空发动机动力传输系统的技术发展思考[J].航空发动机，2013（02）：25-30.