航空發(fā)動機(jī)溫度傳感器故障分析

摘 要：航空發(fā)動機(jī)控制中，溫度是反映航空發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的重要參數(shù)，因此航空發(fā)動機(jī)溫度參數(shù)的有效性關(guān)乎發(fā)動機(jī)的有效控制、狀態(tài)監(jiān)控、安全可靠以及維護(hù)性。航空發(fā)動機(jī)溫度傳感器的工作環(huán)境較為惡劣，控制系統(tǒng)中溫度傳感器故障占到了很大的比例。電阻式溫度傳感器和熱電偶溫度傳感器是常用的兩種航空發(fā)動機(jī)溫度傳感器，本文將對這兩種溫度傳感器的故障模式、現(xiàn)象及原因進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；溫度傳感器；故障分析

1 引言

電阻式溫度傳感器一般采用Pt100電阻作為感溫元件，熱電偶溫度傳感器一般采用K型熱電偶作為感溫元件。電阻式測溫元件的有點主要包括：精確度高；靈敏度高；穩(wěn)定性好。當(dāng)處于較低溫度區(qū)間時，其特點就更為突出。電阻式測溫元件的缺點也是明顯的，它的測溫區(qū)間并不包含高溫區(qū)，因此在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域電阻式溫度傳感器被用于中、低溫區(qū)的測量。熱電偶溫度傳感器在高溫環(huán)境中其化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定因此常用于高溫區(qū)測量。

2 Pt100溫度傳感器故障分析

Pt100感溫元件故障模式可以分為：階躍故障、漂移故障、斷路故障、脈沖故障。

Pt100感溫元件出現(xiàn)階躍故障時，其故障現(xiàn)象一般為溫度傳感器輸出溫度與實際溫度之間存在一定的偏差，且偏差的變化范圍不大。造成階躍故障的原因為：

1）探頭保護(hù)管套損壞后，顆粒物撞擊鉑絲，在長時間的外力作用下鉑絲產(chǎn)生塑性形變。當(dāng)塑性形變讓鉑絲線圈之間出現(xiàn)接觸時會造成鉑絲的阻值下降導(dǎo)致測量值偏低。當(dāng)塑性形變導(dǎo)致鉑絲的等效截面積減小，但鉑絲線圈之間無接觸時，鉑絲的電阻會增加導(dǎo)致測量值偏高；

2）在強(qiáng)振動的工作環(huán)境中，鉑絲相鄰線圈之間接觸形成局部短路，造成鉑絲的阻值下降導(dǎo)致測量值偏低；

3）保護(hù)管套損壞后水蒸氣進(jìn)入造成鉑絲之間局部短路，此時測量值會偏低；

4）用于制造感溫元件的鉑絲在燒制過程中會產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力沒有完全消退時，會導(dǎo)致阻值不穩(wěn)定，測溫出現(xiàn)偏差。

Pt100感溫元件出現(xiàn)漂移故障時，其故障現(xiàn)象一般為溫度傳感器輸出溫度與實際溫度之間存在隨溫度或時間變化的偏差。造成漂移故障的原因為：

1）保護(hù)管套損壞，水蒸汽與鉑絲相接處，造成鉑絲變脆，且鉑絲電阻隨溫度變化的關(guān)系也將改變，從而引起測量值的漂移；

2）在溫度變化時，由于鉑絲與其固定骨架材料的膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致鉑絲受到擠壓，造成鉑絲橫截面積變小電阻增大測量值出現(xiàn)漂移。

Pt100感溫元件出現(xiàn)脈沖故障時，其故障現(xiàn)象一般為被測環(huán)境溫度變化平緩時測量值出現(xiàn)短時的快速上升并快速的下降。造成脈沖故障的原因為：鉑絲出現(xiàn)龜裂，但封裝較為嚴(yán)密讓鉑絲沒有分離，在振動劇烈時龜裂處出現(xiàn)開口的變化導(dǎo)致鉑絲阻值快速變化，從而使測量值快速上升并下降。

Pt100感溫元件出現(xiàn)斷路故障時，其故障現(xiàn)象一般為Pt100的阻值極大，在保護(hù)電路的作用下溫度傳感器示數(shù)不隨溫度場的變化而變化，且恒定為0。造成故障的原因為：

1）位于探頭頂端的鉑絲一般無固定裝置，因此在振動較大時容易造成探頭頂端的鉑絲斷裂，鉑絲斷裂后會造成阻值無窮大，此時溫度的測量值也為無窮大。

2）鉑絲與其固定件材料的膨脹系數(shù)不同，在長時間的熱應(yīng)力和振動的作用下會導(dǎo)致鉑絲的斷裂，造成測量值無窮大；

3）過電流導(dǎo)致鉑絲出現(xiàn)熔斷，鉑絲熔斷后會造成測量值無窮大。

3 K型熱電偶溫度傳感器故障分析

K型熱電偶感溫元件故障模式可以分為：階躍故障、漂移故障、斷路故障。

K型熱電偶感溫元件出現(xiàn)漂移故障時，其故障現(xiàn)象一般為溫度傳感器輸出溫度與實際溫度之間存在隨溫度或時間變化的偏差。造成漂移故障的原因為：K型熱電偶出現(xiàn)短程有序轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，鎳鉻合金容易在450℃～600℃出現(xiàn)原子排列的變化，從而導(dǎo)致其熱電勢與溫度的關(guān)系出現(xiàn)變化，造成測量值的漂移。

K型熱電偶感溫元件出現(xiàn)斷路故障時，其故障現(xiàn)象一般為熱電勢恒定為0，溫度傳感器輸出恒為0。造成斷路故障的原因為：

1）熱電偶絲的膨脹系數(shù)與固定骨架的膨脹系數(shù)不同，在長期的熱循環(huán)中會造成熱電偶絲過度伸縮而斷裂；

2）在強(qiáng)振動環(huán)境下，絕緣管扭曲導(dǎo)致熱電偶絲因扭力作用出現(xiàn)斷裂；

3）硫化物造成高溫化學(xué)腐蝕，當(dāng)腐蝕到達(dá)一定程度時會造成熱電偶絲的斷裂，由于腐蝕造成的斷裂其斷面一般有晶界侵蝕的空洞；

K型熱電偶感溫元件出現(xiàn)階躍故障時，其故障現(xiàn)象一般為溫度傳感器輸出輸出溫度與實際溫度之間存在一定偏差，且偏差的變化范圍不大。造成階躍故障的原因為：

1）保護(hù)管破損，電偶絲與測溫環(huán)境中的水分接觸出現(xiàn)孔蝕、應(yīng)力腐蝕、龜裂等現(xiàn)象，故障出現(xiàn)后一般測量值低于實際溫度；

2）熱電偶絲劣化。

造成熱電偶絲劣化的原因可以分為兩種：正常劣化和異常劣化。正常劣化會造成熱電偶的輸出電勢變高，異常劣化則會造成熱電偶的輸出電勢變低。正常劣化是由于Ni-Cr電極在長期使用過程中表面形成致密的Cr2O3氧化層，造成測量值偏高。異常劣化是由于Ni-Cr電極在長期使用過程中形成NiCr2O4氧化層，該氧化層容易出現(xiàn)龜裂并從電極上脫落造成進(jìn)一步的氧化，造成測量值偏低。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)溫度傳感器工作環(huán)境較為惡劣，因此容易出現(xiàn)故障，其故障模式包括：階躍故障、漂移故障、斷路故障、脈沖故障。本文詳細(xì)分析了造成航空發(fā)動機(jī)溫度傳感器故障的原因，以及現(xiàn)象。通過對故障的分析可以更快的找到故障的原因并實現(xiàn)故障的定位。

參考文獻(xiàn)：

[1] Silva D. Failure state detection of aircraft engine output sensors[C]. The 1977 Joint Automatic Control Conference， San Francisco， June 1977： 1493-1497.

[2] 梅屹立，楊宏，楊浩，李強(qiáng).滑油溫度傳感器內(nèi)部斷路故障原因分析及改進(jìn)[J].航空維修與工程，2015（06）：40-41.

[3] 蔣鵬，張萍.影響Pt100溫度傳感器熱響應(yīng)時間的因素[J].科技與創(chuàng)新，2018（02）：49-50.

[4] 朱信華，劉全榮，井繼琛.高溫?zé)犭娕脊收显蚣疤幚韀J].石油化工自動化，2012，48（01）：80-82.

[5] 廖興菊.熱電偶的故障及修復(fù)[J].機(jī)械工人，1997（08）：23.

作者簡介：

向智大（1993—），男，漢，四川，主要從事民航發(fā)動機(jī)維修相關(guān)研究。