賴 華，劉 輝，周 平

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306）

0 引言

排氣溫度是燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組重要的監(jiān)控保護(hù)參數(shù)之一。發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)功能模塊的作用是對發(fā)電機(jī)組的超溫進(jìn)行報(bào)警并保護(hù)停車。某發(fā)電機(jī)組控制站內(nèi)的溫度信號調(diào)理模塊用于限制發(fā)電機(jī)組的排氣溫度，并對排氣溫度實(shí)施超溫保護(hù)。在結(jié)構(gòu)上，溫度調(diào)節(jié)功能模塊的信號由安裝在發(fā)動機(jī)上的一組熱電偶、控制系統(tǒng)內(nèi)的溫度標(biāo)準(zhǔn)器和頻率功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的微控制器組成。信號從被安裝在排氣管內(nèi)的兩排并聯(lián)連接的熱電偶進(jìn)入布置在控制站殼體內(nèi)的信號調(diào)理模塊標(biāo)準(zhǔn)器。每組熱電偶由4 個串、并聯(lián)連接的T-28 型熱電偶、用合金HK-CA 制成的熱電級組成。信號被標(biāo)準(zhǔn)器轉(zhuǎn)換并被輸入微控制器，溫度標(biāo)準(zhǔn)器輸出的信號是否正確、真實(shí)，關(guān)系到進(jìn)入微處理器的信號是否正確。

1 非正常超溫原因分析

1.1 現(xiàn)象描述

在裝機(jī)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組上，4 支合金HK-CA 組成熱電級的雙絲熱電偶經(jīng)串、并聯(lián)后的信號進(jìn)入信號調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的溫度調(diào)節(jié)控制及超溫報(bào)警保護(hù)。

發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境為高濕高鹽，環(huán)境濕度一般大于90%，且熱電偶運(yùn)行一段時(shí)間后表面會沉積一層結(jié)晶鹽。根據(jù)熱電偶的產(chǎn)品特性，單絲熱電偶的阻值為毫歐級，發(fā)電機(jī)組溫度信號調(diào)理模塊的溫度測量回路由8 支熱電偶絲組成。如熱電偶結(jié)晶鹽后不做清潔處理，會導(dǎo)致熱電偶絕緣電阻嚴(yán)重下降（絕緣電阻由數(shù)兆歐下降到幾百歐或幾十歐）。

目前，裝機(jī)使用的熱電偶及溫度保護(hù)控制電路，在機(jī)組起動或運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)非正常超溫報(bào)警停機(jī)（溫度保護(hù)控制與溫度監(jiān)視使用的是不同的傳感器，且其信號調(diào)理電路也不一樣），即保護(hù)控制器顯示發(fā)電機(jī)組超溫，并保護(hù)停車，實(shí)際的監(jiān)視溫度值未達(dá)到保護(hù)停車閥值。尤其在潮濕環(huán)境下更是頻繁發(fā)生（但機(jī)組排氣溫度的監(jiān)視顯示值卻未達(dá)到報(bào)警停機(jī)的限制值）。故障發(fā)生后，現(xiàn)場采用的排除方法為等待燃機(jī)轉(zhuǎn)子降為零值，并在輔機(jī)艙控制站內(nèi)部通過按壓“復(fù)位”按鈕消除故障，待燃機(jī)控制發(fā)出“準(zhǔn)備好”指令后準(zhǔn)備再次啟動。而再次啟動非正常超溫報(bào)警故障并保護(hù)停機(jī)仍存在很大的概率，此時(shí)處理措施多為人工打開燃機(jī)保護(hù)蓋板，現(xiàn)場經(jīng)常采用取出4 支熱電偶，把偶絲工作端用工業(yè)酒精浸泡15～30 min 后取出，待酒精揮發(fā)完全或用明火點(diǎn)燃燒盡殘余酒精，經(jīng)過上述處理措施復(fù)裝后，再次啟動有較高的成功概率，該故障處理方法嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

1.2 熱電偶工作原理

熱電偶是敏感元件，由兩種不同的導(dǎo)體（鎳鈷A—鎳鋁B）連接在一起構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)連接點(diǎn)1 與2 的溫度不同時(shí)，由于熱電效應(yīng)，回路中會產(chǎn)生零點(diǎn)幾到幾十毫伏的熱電動勢EAB。連接點(diǎn)1 置于被測的測溫介質(zhì)中，稱為工作端1；連接點(diǎn)2 要求在某一恒定溫度下，稱為自由端2（圖1）。

圖1 熱電偶構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)導(dǎo)體材料選定后，熱電偶的熱電動勢僅與接點(diǎn)1、2 溫度有關(guān)，當(dāng)接點(diǎn)1、2 的溫度分別為t1、t2時(shí)，回路總的熱電動勢為：

由于導(dǎo)體材料已經(jīng)選定，其自由端溫度t2恒定，eAB（t2）為常數(shù)，故式（1）中回路總的熱電動勢僅為工作溫度t1的單值函數(shù)[1]。通過測量熱電動勢的方法就可以測量工作點(diǎn)1 的實(shí)際溫度。

1.3 電路分析

導(dǎo)致非正常超溫報(bào)警的溫度控制電路中的信號調(diào)理模塊電路（圖2），信號調(diào)理模塊電路的熱電偶溫度信號采用合金HK-C A 制成，熱電極感受排氣溫度，通過隔離放大電路將毫伏電壓信號放大100 倍，變換成0～5 V 的電壓信號供給采集器，根據(jù)《中國航空材料手冊》[2]可知，該合金材料的熱電偶，在300 ℃以下的熱電勢為0，而機(jī)組啟動及運(yùn)行過程中的排氣溫度高于300 ℃，采用該合金材料做熱電偶的熱電極在300 ℃以下可不需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，可簡化電路設(shè)計(jì)。

圖2 信號調(diào)理模塊電路

在信號調(diào)理模塊電路中，設(shè)計(jì)的機(jī)組排氣溫度在300 ℃以下時(shí)的測溫電路輸出偏置值為1.2 V。圖2 中，5 V 電壓經(jīng)R2、R3 分壓，使輸入端有12 mV 電壓輸入，放大100 倍后變成1.2 V，R4 為外來的干擾信號電阻，R1 為斷耦的檢測信號電阻。

電路中設(shè)計(jì)有斷耦報(bào)警電路，當(dāng)發(fā)生斷耦故障時(shí)，分壓的12 mV 電壓不能加到輸入端，則輸入端正負(fù)極由電阻R1 連接，電壓為0 mV，放大后輸出的電壓為0 V，控制器采集后判斷為斷耦故障并報(bào)警。

1.4 誤報(bào)警原因分析

在發(fā)電機(jī)組原控制器中，造成非正常超溫報(bào)警的原因有兩個：

（1）絕緣電阻下降導(dǎo)致溫度值采集的初始狀態(tài)產(chǎn)生較大偏移。在控制器的信號調(diào)理模塊中，當(dāng)熱電偶因潮濕天氣原因使得偶絲與殼體間的絕緣電阻下降時(shí)，由于圖2 中輸入地③與殼體②做了短路連接，相當(dāng)于在偶絲與殼體（地）之間接入一個電阻。偏置電路等效電路如圖3 所示。

圖3 偏置電路等效電路

未開機(jī)時(shí)，R4 的阻值正常情況下為無窮大，對電路不產(chǎn)生影響，但在嚴(yán)重鹽霧潮濕的情況下（如熱電偶浸濕）測得僅為幾百歐姆，以200 Ω計(jì)算為例，根據(jù)等效電路可得：R2=0.48 Ω，R3=220 Ω，U=5 V，假設(shè)R4=200 Ω，則：

計(jì)算出R2 上的分壓約23 mV，放大100 倍后輸出為2.3 V，已嚴(yán)重偏離正常值1.2 V，此時(shí)控制器采集計(jì)算后的溫度值為440 ℃，致使會出現(xiàn)一按啟動按鈕，燃機(jī)控制系統(tǒng)報(bào)超溫停車故障，可見對初始溫度值的采集產(chǎn)生了較大偏移。

假設(shè)R4=1000 Ω，則U2≈13 mV，放大100 倍后輸出為1.3 V，略微偏離正常值1.2 V，因此，只要R4 的值大于1000 Ω，對溫度值采集的影響可以忽略。

（2）圖2 中有3 種電路的地存在，分別為信號輸入地③（共電源地、殼體地）、放大電路地①、信號輸出地②（與控制器采集輸入共地），在處理小信號時(shí)，各類地之間需相互隔離才能避免由于運(yùn)行過程中各種地電位電勢差對信號引起的干擾，但在圖2 的電路設(shè)計(jì)中，信號輸入地與輸出地之間沒有隔離，易受干擾。試驗(yàn)測得，在極端潮濕情況下，初始輸出從1.2 V 漂移至1.4 V，溫度漂移約30 ℃，致使會出現(xiàn)在燃機(jī)轉(zhuǎn)子正常加速至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油剛被點(diǎn)著時(shí)刻報(bào)超溫停車故障，并控制系統(tǒng)反饋給中央控制室的故障信息為“超溫停車”。

以上兩種因素導(dǎo)致排氣溫度的測量值與實(shí)際值誤差很大，在熱電偶未清洗（有鹽結(jié)晶沉積）情況下造成的溫度測量值與實(shí)際值的誤差甚至可達(dá)數(shù)百攝氏度，故造成機(jī)組非正常超溫報(bào)警停機(jī)。

2 電路改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

通過對控制器中原信號調(diào)理模塊模塊的分析與試驗(yàn)，針對影響控制器中測溫采集值漂移的兩個原因提出改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的電路如圖4 所示，改進(jìn)電路從兩個方面進(jìn)行。

圖4 改進(jìn)后的信號調(diào)理模塊電路

（1）增加DC-DC 隔離模塊。增加DC-DC 模塊后，R3 與輸入地連接，而R4 與機(jī)殼（或電源地）連接，R4 不再影響R3 上的分壓，潮濕情況下也不會對初始電壓偏置產(chǎn)生影響（由于不是同一個地，R4 的大小對于R3、4的大小不影響初始的電壓偏置，只與R2、R3 有關(guān)，），解決了因絕緣電阻下降導(dǎo)致溫度值采集的初始狀態(tài)產(chǎn)生的偏移。

（2）將地②與地③之間的連接線斷開。改進(jìn)后的電路使3 個地之間完全隔離互不干擾，大大減小了各個地電位差對測量結(jié)果的干擾。

改進(jìn)后，在極端環(huán)境情況下，不會造成由于溫度信號受到干擾而出現(xiàn)的非正常超溫報(bào)警、停車。

3 結(jié)論

通過對由于信號干擾和使用環(huán)境等導(dǎo)致的溫度信號非正常超溫報(bào)警的故障分析，得出在處理小信號時(shí)，各類地之間需相互隔離才能避免由于運(yùn)行過程中各種地電位電勢差對信號的干擾。試驗(yàn)和使用驗(yàn)證，該故障處理方法切實(shí)可行，實(shí)際熱電偶溫度信號對溫度控制電路中采集的溫度反饋值已不受外界環(huán)境及干擾的影響，提高了產(chǎn)品的性能及可靠性。