饒芊芊

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南?株洲?412002）

溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的重要參數(shù)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車中，溫度測(cè)試范圍從環(huán)境溫度到上千攝氏度，測(cè)點(diǎn)多達(dá)幾百點(diǎn)。溫度測(cè)量關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定及試車安全，對(duì)精度和可靠性的要求很高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)試工作包括選用正確的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)或選用溫度傳感器，進(jìn)行正確的測(cè)試線路連接，依據(jù)數(shù)據(jù)要求對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析[1]。熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)成各種感溫形式，有較高的測(cè)試精度和較低的使用成本；測(cè)溫范圍寬，便于進(jìn)行溫度信號(hào)轉(zhuǎn)輸和集中處理。因此，由熱電偶與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機(jī)配合組建而成的測(cè)溫系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)中得到了廣泛應(yīng)用。

熱電偶溫度測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要由熱電偶、延長(zhǎng)型補(bǔ)償導(dǎo)線、信號(hào)線、等溫參考、VXI數(shù)采系統(tǒng)和微機(jī)組成。根據(jù)信號(hào)類型，信號(hào)以模擬量存在的系統(tǒng)為前端，以數(shù)字量存在的系統(tǒng)為處理后端。前端的工作原理為熱電偶測(cè)溫，后端的工作原理為VXI數(shù)據(jù)采集處理。

圖1 ??熱電偶溫度測(cè)試系統(tǒng)

溫度、壓力、位移、流量等均為模擬信號(hào)。微機(jī)處理以數(shù)字量為基礎(chǔ)的，需將模擬量數(shù)字化，用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。模擬量和數(shù)字量之間的聯(lián)系橋梁就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。

1 熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶測(cè)溫的基本原理是基于金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)由兩種不同效應(yīng)引起的，即珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)[3]。

1.1 熱電效應(yīng)

在由A、B組成的閉合回路，如果兩端結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中就將產(chǎn)生一定大小的電流，這個(gè)電流的大小與導(dǎo)體材料和性質(zhì)以及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，此現(xiàn)象稱之為塞貝克熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)的方向和大小，取決于2個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度和組成熱電偶的材料，熱電偶測(cè)溫原理如圖2所示。

圖2 ??熱電偶測(cè)溫原理圖

當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)的溫度為T(mén)和T0時(shí)，回路的熱電勢(shì)EAB（T，T0）為：

1.2 珀?duì)柼?yīng)

各種導(dǎo)體中都存在著大量的自由電子，不同導(dǎo)體自由電子的密度也不同。當(dāng)兩種金屬連接在一起時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處就要發(fā)生電子擴(kuò)散，電子密度大的金屬的自由電子就要向電子密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散。這時(shí)電子密度大的金屬由于失去電子而具有正電位；相反，電子密度小的金屬由于獲得了擴(kuò)散來(lái)的多余電子而帶負(fù)電，這種擴(kuò)散會(huì)持續(xù)到動(dòng)態(tài)平衡為止。此時(shí)接觸電勢(shì)將具有一定穩(wěn)定性，該接觸電勢(shì)除與材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)。

1.3 湯姆遜效應(yīng)

對(duì)于單一均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，兩端也將有一定大小的電勢(shì)。產(chǎn)生的原因是，在不同溫度下，自由電子具有不同的動(dòng)能，溫度高時(shí)動(dòng)能大，動(dòng)能大的電子就會(huì)向溫度低的那一端擴(kuò)散，所以在同一導(dǎo)體內(nèi)當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，兩端也會(huì)產(chǎn)生一定大小的電勢(shì)差（湯姆遜電勢(shì)），此現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)（可逆）。溫差電勢(shì)的大小可以用式（3）表示：

即熱電偶兩端存在溫差時(shí)，其輸出的熱電熱是兩個(gè)溫度函數(shù)的差。如果其中一個(gè)溫度（例如參考端）為0℃時(shí)，其熱電勢(shì)與待測(cè)溫度T呈單值函數(shù)關(guān)系。

2 熱電偶應(yīng)用定則

測(cè)溫系統(tǒng)中，熱電偶信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線、等溫參考、信號(hào)線等傳輸。用熱電偶作為敏感元件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要用到以下基本法則，以保證熱電偶信號(hào)在傳輸過(guò)程中的準(zhǔn)確性、延續(xù)性。

2.1 均質(zhì)回路定則

由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路如圖3所示，無(wú)論其導(dǎo)體的截面和長(zhǎng)度如何、溫度如何分布，都不可能產(chǎn)生熱電勢(shì)，即兩根材料成分相同的絲A和A'不能構(gòu)成熱電偶，因?yàn)椴牧舷嗤?，即?/p>

當(dāng)熱電偶兩端的溫度相同時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，據(jù)此可以檢驗(yàn)A、A'兩個(gè)熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。

2.2 中間導(dǎo)體定則

在熱電偶回路當(dāng)中，當(dāng)接入第3種導(dǎo)體時(shí)，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶回路中總熱電勢(shì)沒(méi)有影響，如圖4所示。

2.3 中間溫度定則

在熱電偶回路A，B中，用導(dǎo)體A'、B'與其相連，當(dāng)接點(diǎn)的溫度為t、t1、t2時(shí)，圖5所示回路中的熱電勢(shì)可以用下式表示：

上式表明，當(dāng)A與A'、B與B'材料成分分別相同或材料成分雖不相同，但熱電勢(shì)相等時(shí)，熱電偶回路中的熱電勢(shì)僅與溫度t和t2有關(guān)，不受中間溫度t1變化的影響，此關(guān)系稱為中間溫度定則。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線法就是這個(gè)定則的實(shí)際應(yīng)用。

??圖 3??均質(zhì)回路定則

?圖 4??中間導(dǎo)體定則

?圖 5??中間溫度定則

熱電偶電勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長(zhǎng)度及沿程溫度分布無(wú)關(guān)。

3 熱電偶信號(hào)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集基本原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理，得出所需數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。它將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)控。

按數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理類型，即數(shù)據(jù)采集設(shè)備測(cè)量通道類型劃分，電量信號(hào)可分為頻率量和模擬量。以模擬量為例，來(lái)自傳感器的電量信號(hào)要經(jīng)過(guò)整形、放大、濾波、多路選擇、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)。頻率量也有相似的采集處理過(guò)程，不同之處在于其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的方法是頻率/數(shù)字轉(zhuǎn)換。

以模擬量采集為例，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作原理如圖6所示。圖中，傳感器、變送器之后的電量信號(hào)為模擬量，其后的信號(hào)處理流程是在穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行。

圖6 ??穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作原理圖

由于其輸出電壓相當(dāng)?。◣资练?，若直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，則信號(hào)有可能被系統(tǒng)本身的紋波所淹沒(méi)，而且熱電偶測(cè)點(diǎn)可能非常多，不可能每一個(gè)通道配一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，因此來(lái)自熱電偶的電壓信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大、多路選擇、采樣保持、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)。

3.2 電壓—溫度轉(zhuǎn)換方法

《90國(guó)際溫標(biāo)通用熱電偶分度表手冊(cè)》對(duì)8種型號(hào)的通用熱電偶的基本特性分別作了概述，列出了熱電偶參考函數(shù)分度公式的系數(shù)、在固定點(diǎn)上的熱電勢(shì)、熱電勢(shì)率及其導(dǎo)數(shù)。熱電偶E（t）分度表，便于從溫度值迅速查出熱電熱值，最小間隔為1℃。熱電偶數(shù)學(xué)模型如下：

式中：E為熱電動(dòng)勢(shì)，單位為mV；t90為ITS-90 的溫度值，單位為℃；ci為系數(shù)（i=1～10）[4]。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，若已知溫度則可以確切地計(jì)算出熱電勢(shì)E，但在熱電偶測(cè)溫應(yīng)用時(shí)，已知熱電勢(shì)，求取溫度，由于數(shù)學(xué)模型為高次方程，通常需借助計(jì)算機(jī)，用某些迭代法或試差法求其近似值，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成，滿足不了實(shí)時(shí)采集、顯示、記錄的需要，有必要尋找低階多項(xiàng)式擬合t=f（E）。根據(jù)最小二乘法，并采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分段算法，分別對(duì)8種熱電偶進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。

2個(gè)變量間關(guān)系基本呈線性，但是在整個(gè)量程范圍內(nèi)線性度不是很高。為了提高變量函數(shù)關(guān)系式的擬合精度，根據(jù)關(guān)系模型，采用分段擬合的辦法。分段擬合可以是線性擬合，也可以是非線性擬合。如何分段、求取數(shù)據(jù)樣本，則根據(jù)測(cè)量精度要求而定，可能需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能最終確定一個(gè)較優(yōu)的分段方案，最終以達(dá)到精度要求為目標(biāo)。熱電偶分度表，分了4段擬合方程。以k分度為例，回歸方程形式如下所示：

式中：x為采集的mV值；T為溫度值（℃）。

按照采集數(shù)據(jù)在（-2.920，2.436）；（2.436，8.537）；（8.537，34.095）；（34.095，54.875）范圍分成4段分別進(jìn)行擬合（見(jiàn)表1）。

表1 ??K分度熱電偶分段及系數(shù)

3.3 VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)中所需的測(cè)量參數(shù)種類多，測(cè)點(diǎn)多，熱電偶通道就有數(shù)百個(gè)，且分度種類多，常規(guī)整機(jī)試車臺(tái)用到K、E、T，燃燒室部件臺(tái)還需用到S、B分度，且測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)變化快，數(shù)據(jù)量龐大，要求測(cè)試系統(tǒng)有較大的容量和較高的可靠性、準(zhǔn)確度[5]。

VXI總線規(guī)范是一個(gè)開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其主要目標(biāo)是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標(biāo)準(zhǔn)器件（計(jì)算機(jī)）之間能夠以明確的方式開(kāi)放通信；使系統(tǒng)體積更??；通過(guò)使用高帶寬的吞吐量，為開(kāi)發(fā)者提供高性能的測(cè)試設(shè)備；采用通用的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)相似的儀器功能，使系統(tǒng)集成軟件成本進(jìn)一步降低。VXI系統(tǒng)測(cè)試功能強(qiáng)大、易于組建、使用靈活，在組建中、大規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求較高的場(chǎng)合，VXI有著其它系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[6]。

我國(guó)所使用的主要是美國(guó)VTI（原安捷倫）公司、國(guó)內(nèi)成都華太公司和成都縱橫公司的VXI產(chǎn)品。

成都華太的VXI-18015S通過(guò)SCP（Signal Conditioning Plug-ons）對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理，包括放大、濾波、偏置調(diào)節(jié)和傳感器激勵(lì)，以使許多傳感器可直接與VXI-18015S連接使用。SCP的種類很多，可以按需安裝，熱電偶選用HVI-0704 8ch ×100增益/7 Hz 低通濾波器，將信號(hào)調(diào)理放大輸出給采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)SCP 的輸入信號(hào)類型（電壓或電流），將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SCP 實(shí)際的輸入電壓或電流，然后查找每個(gè)通道的EU 轉(zhuǎn)換表進(jìn)行EU 轉(zhuǎn)換。各通道 EU 轉(zhuǎn)換表可來(lái)自內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)表，也可由用戶下載自行設(shè)定。VXI-18015S提供一個(gè)DS18B20芯片用于測(cè)量機(jī)箱內(nèi)部的溫度，在要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合，也可以使用該傳感器測(cè)得的溫度作為冷端補(bǔ)償溫度對(duì)熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

數(shù)據(jù)顯示通過(guò)3段程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，Get_TC_EU對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行讀取分段，ReadN_B_S_table對(duì)電壓信號(hào)對(duì)照EU轉(zhuǎn)換表分段進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，VXIConvert2按EU轉(zhuǎn)換表并加上冷端補(bǔ)償電壓后轉(zhuǎn)換成溫度值顯示。

4 誤差分析

整個(gè)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的誤差由4部分組成，分別是：（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差；（2）分度表線性擬合的誤差；（3）冷端補(bǔ)償?shù)恼`差；（4）熱電偶受感器的誤差。VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的計(jì)量周期為1a，精度能達(dá)到0.05%，誤差偏大時(shí)能自動(dòng)校準(zhǔn)；分度表擬合能達(dá)到±0.1℃；冷端RTD計(jì)量精度能達(dá)到±0.2℃。這3部分的誤差都非常小，整個(gè)試車臺(tái)測(cè)溫系統(tǒng)的誤差最大來(lái)源是熱電偶制成的受感器，熱電偶偶絲的精度可以達(dá)到0.4%，但是由于熱電偶受感器的測(cè)量對(duì)象為發(fā)動(dòng)機(jī)流道內(nèi)高溫高速氣體，以期可以測(cè)得氣流總溫（動(dòng)溫和靜溫之合），但是氣流動(dòng)能不可能完全轉(zhuǎn)化為熱能測(cè)出，及熱電偶四周存在熱輻射，需要根據(jù)測(cè)點(diǎn)位置的氣動(dòng)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一種合理的熱電偶結(jié)構(gòu)，使得測(cè)溫精度達(dá)到測(cè)試要求。

5 結(jié)????論

本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了全鏈路的說(shuō)明，此測(cè)溫系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方式應(yīng)用于所內(nèi)40多個(gè)車臺(tái)。隨著技術(shù)發(fā)展，會(huì)有更先進(jìn)的儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用到車臺(tái)建設(shè)中來(lái)，但基本原理大致一樣。