王　真 朱　麗

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某型飛機(jī)熱電偶信號(hào)校準(zhǔn)與測(cè)試方法

王真 朱麗

熱電偶是測(cè)量飛機(jī)汽缸頭溫度及排氣溫度的通用手段。本文介紹了飛機(jī)測(cè)試中熱電偶的校準(zhǔn)方法及使用方法。在試飛測(cè)試過(guò)程中，由于測(cè)試結(jié)果易受座艙溫度及環(huán)境溫度的影響，為座艙安裝環(huán)境溫度傳感器，以獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度是表征其工作狀態(tài)是否正常的重要參數(shù)之一，也是飛行員和維護(hù)人員必須掌握的重要參數(shù)，所以精確有效地檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各部位溫度，是發(fā)動(dòng)機(jī)定型測(cè)試的主要環(huán)節(jié)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)部位的溫度較高，一般都使用熱電偶進(jìn)行測(cè)試。熱電偶是廣泛應(yīng)用于高溫測(cè)量的感溫元件，其精確度嚴(yán)重影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，熱電偶傳感器的校準(zhǔn)及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的精確測(cè)量至關(guān)重要。

熱電偶

熱電偶是一種一次儀表，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度值。熱電偶具有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，價(jià)格低廉；

② 響應(yīng)快，測(cè)溫精度較高；

③ 由于補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)用，使得熱電偶可以應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)量；

④ 測(cè)溫范圍較廣。不同型號(hào)熱電偶的測(cè)溫范圍不同，但基本上都可以實(shí)現(xiàn)-200～1800℃的溫度測(cè)量。

由于以上優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)各部位的溫度，熱電偶是最好的選擇。

熱電偶原理

圖1　熱電偶閉合回路

熱電偶測(cè)溫是基于熱電效應(yīng)：由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B組成的閉合回路，如圖1所示，若兩端溫度T和T0不同，回路中就有會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即熱電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或賽貝克效應(yīng)（Seeback Effect）。

熱電偶就是將A和B兩種不同的金屬材料一端焊接而成。A和B稱為熱電極，焊接的一端接觸溫度為T的熱場(chǎng)，稱為工作端或測(cè)量端，也稱熱端；未焊接的一端（接引線）處于溫度To，稱為自由端或參考端，也稱冷端。工作時(shí)一般將冷端置于某一恒定溫度下，由于兩端存在溫差便可把溫度轉(zhuǎn)化成電動(dòng)勢(shì)以供測(cè)量。熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱電偶的電極材料和兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，而與形狀尺寸無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)E（T，To）便是溫度T和To的函數(shù)，即

如果冷端溫度To保持不變，則熱電動(dòng)勢(shì)E（T，To）為熱端溫度T的單值函數(shù)。利用這一關(guān)系在實(shí)際中進(jìn)行溫度測(cè)量，這時(shí)熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)E（T，To）就只隨熱端溫度T變化而變化，也就是一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的熱端溫度。

一般的，取To=0℃作為熱電偶冷端溫度值，可將熱電動(dòng)勢(shì)與溫度T的函數(shù)關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制成分度表，這樣，只要測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)E（T， 0），通過(guò)計(jì)算就可得到被測(cè)溫度T。

分度表

熱電偶的熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系是用它的分度公式和根據(jù)分度公式計(jì)算的分度表來(lái)描述的。分度表是某一種材料的熱電偶在冷端溫度恒定為0℃時(shí)，不同溫度下產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

熱電偶有多種分類，目前常用的為K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅熱電偶），由于其價(jià)格低廉，熱電動(dòng)勢(shì)與溫度近似線性，是最廣泛使用的廉價(jià)金屬熱電偶。表1是K型熱電偶分度表。

冷端補(bǔ)償

表1　K型熱電偶分度簡(jiǎn)表 單位：mV

熱電偶的分度表是在冷端溫度為0℃時(shí)，根據(jù)測(cè)量端溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系制成的，可以通過(guò)測(cè)量熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)值，再反查分度表得到相應(yīng)的溫度值。但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于各種原因，冷端無(wú)法保持0℃，這就會(huì)使所測(cè)的溫度值產(chǎn)生很大的誤差。所以就必須采取相應(yīng)的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償或修正，以減小誤差。常用的方法有冷端恒溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、調(diào)儀表起始點(diǎn)法、補(bǔ)償電橋法、計(jì)算修正法等。

熱電偶校準(zhǔn)

飛行試驗(yàn)中，需要對(duì)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)以保證測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性，主要是由于在測(cè)量中，一般不另外加裝熱電偶，而是在飛機(jī)原熱電偶上抽引信號(hào)。校準(zhǔn)時(shí)需要進(jìn)行溫度注入，即在熱電偶的正端串接一個(gè)信號(hào)源為之施加電動(dòng)勢(shì)，代替熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)以模擬溫度，負(fù)端用導(dǎo)線短接。記錄熱端所處的環(huán)境溫度（即熱端溫度）；冷端接入帶有溫度補(bǔ)償?shù)牟杉靼蹇?。校?zhǔn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

校準(zhǔn)時(shí)遵循由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫的順序，查看分度表依次向熱電偶施加各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)，記錄采集器的輸出電壓；結(jié)束后再反行程逐點(diǎn)施加電動(dòng)勢(shì)，記錄采集器的輸出電壓。需要注意的是，輸出電壓對(duì)應(yīng)的溫度為環(huán)境溫度（即熱端溫度）與施加電壓值對(duì)應(yīng)的溫度值之和。因?yàn)槭┘与妷簽? mV時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)因環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。

如此反復(fù)多次，計(jì)算各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓的平均值，得到溫度與輸出電壓關(guān)系曲線。

圖2　校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)框圖

某型飛機(jī)熱電偶信號(hào)測(cè)試方法

某型飛機(jī)需要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸頭溫度，該發(fā)動(dòng)機(jī)是活塞式6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，因此汽缸頭溫度有6個(gè)測(cè)量信號(hào)。采用KAM-500采集器，其采集板卡ACC/CJB/001/101（即冷端盒）自帶冷端溫度補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn) 15個(gè)通道信號(hào)的測(cè)量。將熱電偶冷端外接入采集板卡，經(jīng)后續(xù)調(diào)節(jié)電路最終進(jìn)入采集器，經(jīng)后續(xù)數(shù)據(jù)處理輸出在顯示設(shè)備。

存在問(wèn)題

測(cè)量初始階段，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果總高于飛機(jī)駕駛艙儀表盤上的汽缸頭溫度表的測(cè)量結(jié)果。但使用MC5信號(hào)源進(jìn)行校準(zhǔn)卻發(fā)現(xiàn)個(gè)環(huán)節(jié)正常。

我們進(jìn)行了細(xì)致的分析發(fā)現(xiàn)：

發(fā)動(dòng)機(jī)位于飛機(jī)前部，距離儀表盤較近；

為座艙加溫的熱風(fēng)管正好從儀表板中心通過(guò)。

由于以上原因，導(dǎo)致飛機(jī)汽缸頭溫度表位置處的環(huán)境溫度高于測(cè)試設(shè)備安裝位置處的環(huán)境溫度。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，兩位置處溫度相同。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間增加，兩者溫差會(huì)增大（測(cè)試設(shè)備安裝在飛機(jī)后部的行李艙，沒(méi)有任何加溫設(shè)施），甚至?xí)_(dá)到5℃。

溫度補(bǔ)償方法

由于飛機(jī)汽缸頭溫度表的冷端盒位于座艙內(nèi)的儀表板上，而測(cè)試系統(tǒng)的冷端盒在飛機(jī)后艙，兩者位置處環(huán)境溫度存在差異，導(dǎo)致測(cè)量的溫度不一致。對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

補(bǔ)償辦法：在儀表盤的汽缸頭溫度表附近安裝一個(gè)環(huán)境溫度傳感器，由采集器采集其輸出信號(hào)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，用該溫度傳感器的輸出對(duì)我們測(cè)試設(shè)備測(cè)量到的汽缸頭溫度進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。圖3為該測(cè)量系統(tǒng)框圖。

補(bǔ)償結(jié)果與分析

表2　測(cè)試結(jié)果

圖3　補(bǔ)償測(cè)溫結(jié)構(gòu)框圖

圖4　座艙環(huán)溫與測(cè)試環(huán)溫曲線

試飛測(cè)試過(guò)程中，駕駛艙儀表盤附近安裝的溫度傳感器測(cè)得的座艙溫度及后艙測(cè)試設(shè)備測(cè)得的溫度列于表2，曲線圖如圖4所示，其橫坐標(biāo)以11：15為起始0點(diǎn)，單位為min。該結(jié)果與測(cè)試過(guò)程中的現(xiàn)象一致，由于測(cè)試設(shè)備位置處環(huán)境溫度低，熱電偶兩端溫差大，其測(cè)量結(jié)果必然高于儀表盤處測(cè)量的溫度。

結(jié)果表明，用溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償可以準(zhǔn)確測(cè)得汽缸頭溫度。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間增加，座艙溫度逐步升高，儀表盤與測(cè)試設(shè)備的測(cè)試溫差增大；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到50min時(shí)，座艙溫度恒定，溫差基本保持不變。

排氣溫度熱電偶信號(hào)測(cè)試方法

在飛機(jī)熱電偶測(cè)試中，類似現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度。測(cè)試設(shè)備的測(cè)量結(jié)果與飛機(jī)排氣溫度表測(cè)量結(jié)果不一致。其原因也相似，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間增加，排氣溫度表附近的環(huán)境溫度升高，而測(cè)試設(shè)備的環(huán)境溫度基本保持不變，導(dǎo)致了兩者測(cè)量結(jié)果不同。可以采取類似解決方法。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)為座艙儀表盤附近安裝溫度傳感器以補(bǔ)償座艙溫度對(duì)熱電偶測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)果表明，該方法正確可行，為同類現(xiàn)象提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值及推廣意義。

王 真 朱 麗

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

王真，1986年生，女，碩士，工程師，主要從事傳感器測(cè)試工作；朱麗，1987年生，女，碩士，工程師，主要從事傳感器測(cè)試工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.012