航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱電偶傳感器穩(wěn)態(tài)測溫偏差分析

楊亞男

摘要：近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，我國的航空工程建設(shè)的發(fā)展也有了改善。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，低壓渦輪后溫度是重要的測試參數(shù)，低壓渦輪后溫度測量的準(zhǔn)確與否，會(huì)直接影響到對發(fā)動(dòng)機(jī)性能及狀態(tài)的判斷。因此，保證低壓渦輪后溫度測量的準(zhǔn)確性十分重要。目前某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上用于測量低壓渦輪后溫度的傳感器為熱電偶型傳感器，由于低壓渦輪后高溫、高壓、高馬赫數(shù)的復(fù)雜惡劣工作環(huán)境影響，該類傳感器在測量溫度時(shí)會(huì)受到輻射誤差、導(dǎo)熱誤差、速度誤差等測量誤差的影響，導(dǎo)致實(shí)際測量的溫度低于氣流的真實(shí)溫度，而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，對溫度測量準(zhǔn)確性的要求很高，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)上低壓渦輪后溫度測量的準(zhǔn)確性，需對選用的熱電偶型溫度傳感器穩(wěn)態(tài)測溫偏差開展進(jìn)一步研究，明確其是否能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);熱電偶傳感器;穩(wěn)態(tài)測溫偏差分析

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種復(fù)雜的透平類機(jī)械，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多、功率大、工作狀態(tài)嚴(yán)苛等特點(diǎn)，在材料、制造、裝配、工藝等多方面提出較好的技術(shù)要求，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康運(yùn)行的監(jiān)測、診斷、維修、保養(yǎng)等工作也存在較多技術(shù)難度，通過監(jiān)測手段獲取性能狀態(tài)信息，應(yīng)用故障診斷技術(shù)及算法對性能狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析，獲取故障機(jī)理并依據(jù)診斷結(jié)論制定維修、保養(yǎng)策略，在故障早期進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警及診斷為其后續(xù)機(jī)組維護(hù)提出可行建議。利用熱噴涂技術(shù)進(jìn)行溫度傳感器的原位制造與微加工，并對樣品進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)、高溫高速燃?xì)鉀_擊試驗(yàn)、高速旋轉(zhuǎn)輪盤試驗(yàn)等系列性能考核，通過理論模型的建立，討論了涂層對測溫結(jié)果的影響規(guī)律。

1 原理與特點(diǎn)

熱電偶檢定系統(tǒng)是將外觀檢查合格的熱電偶放入專用檢定爐后，連接熱電偶導(dǎo)線至控制系統(tǒng)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的升溫與降溫控制，并將實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行對比，從而確定熱電偶的性能好壞的檢定系統(tǒng)。

1. 1 工作原理

熱電偶檢定系統(tǒng)中的專用檢定爐一般采用電阻元件來完成內(nèi)部的加熱，其校準(zhǔn)的熱電偶材料為鎳鉻 -鎳鋁，輸出電壓為 6 mV 左右，由單片機(jī)控制電爐絲的通斷，控制檢定爐的溫度，在到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)溫度以后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際值進(jìn)行對比，確認(rèn)其是否合格。

1. 2 冷端補(bǔ)償?shù)倪x擇

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)儀表室使用冷端恒溫法，即將冷端置于保護(hù)膜內(nèi)，然后將保護(hù)膜放入裝有冰水混合物的保溫桶中，從而使冷端維持在 0 ℃。

1. 3 熱電偶檢定系統(tǒng)組成

數(shù)字部分是單片機(jī)，模擬部分包括專用檢定爐、鎳鉻 - 鎳鋁熱電偶、A/D 放大器等。

1. 4 熱電偶檢定系統(tǒng)的自動(dòng)控制

熱電偶檢定系統(tǒng)使用了 PID 控制技術(shù)，輸入標(biāo)準(zhǔn)值后系統(tǒng)自動(dòng)升溫到最高點(diǎn)，然后從大到小逐步降溫到每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，并在數(shù)值穩(wěn)定后將實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，最后打印出來。校準(zhǔn)過程如圖 2 所示。熱電偶檢定系統(tǒng)加入了比對功能，在誤差超出規(guī)定值的情況下會(huì)停止校準(zhǔn)，返回初始狀態(tài)，這是因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)使用的 T4 熱電偶一共使用 4 個(gè)鎳鉻 - 鎳鋁傳感器，在校準(zhǔn)過程中，一個(gè)傳感器受損或一段線路開路、短路時(shí)，溫度就會(huì)出現(xiàn)超差，必須更換傳感器才能繼續(xù)進(jìn)行校準(zhǔn)。加入比對系統(tǒng)后省去了大量不必要的校準(zhǔn)時(shí)間，提高了測量效率。

2 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(shí)，其故障現(xiàn)象一般為溫度傳感器輸出溫度與實(shí)際溫度之間存在隨溫度或時(shí)間變化的偏差。造成漂移故障的原因?yàn)椋篕型熱電偶出現(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(shí)，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?yàn)椋?/p>

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(huì)造成熱電偶絲過度伸縮而斷裂;

2）在強(qiáng)振動(dòng)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(shí)會(huì)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(shí)，其故障現(xiàn)象一般為溫度傳感器輸出輸出溫度與實(shí)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?yàn)椋?/p>

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(shí)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(huì)造成熱電偶的輸出電勢變高，異常劣化則會(huì)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。

3）儀器控制不準(zhǔn)確或無法控制的故障處理

故障處理的方法為：①確認(rèn)設(shè)定是否正確;②檢查輸出電壓是否符合儀器工作狀況：③標(biāo)準(zhǔn)指示未達(dá)到設(shè)定值，輸出指示燈亮，表示輸出端子有 220 V 電壓;沒寫自鑒定的設(shè)備和型號(hào) 怎么知道儀器是這么操作的呢？溫度場不均勻調(diào)整： 可任意調(diào)整檢定夾具方向，獲得最佳位置，使溫度場均勻。如果字?jǐn)?shù)不夠，需要湊的話 可以寫冷端補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容

結(jié)語

熱電偶傳感器測溫偏差主要受輻射誤差的影響，輻射誤差隨著氣流速度和工作壓力的增加而降低;隨著測量溫度的增加而增加。

參考文獻(xiàn)

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