溫度計量技術(shù)在航空發(fā)動機試車臺健康管理中的應(yīng)用

鄭志清，余 鵬，龐 莉，段文玲

（成都國營錦江機器廠計量理化中心，成都 610043）

1 引 言

航空發(fā)動機試車臺是用于測試發(fā)動機工作性能是否滿足預(yù)期使用要求的測試設(shè)備。其主要功能是為發(fā)動機測試提供一個控制環(huán)境，使測試結(jié)果與被測發(fā)動機一致，但不影響發(fā)動機運行，并設(shè)置有多種形式的危險情況報警。工作人員通過試車臺電氣系統(tǒng)控制整個試車過程，保證試車過程的精確性和連貫性，將試車過程中測得的數(shù)據(jù)與原始的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測試出的數(shù)據(jù)進行比較，從而判斷出所試發(fā)動機的性能狀態(tài)。

在各型發(fā)動機試車工藝中，涉及的計量參數(shù)主要包括：壓力、溫度、振動、流量、轉(zhuǎn)速、測功等信號，本文主要對溫度計量參數(shù)的應(yīng)用進行分析和描述。常見的溫度計量參數(shù)包括進氣溫度、滑油進油溫度、滑油回油溫度、軸承溫度、殼體溫度、燃?xì)鉁囟?，以及各類油箱溫度等。其中，進氣溫度、滑油進油溫度、滑油回油溫度、燃?xì)鉁囟鹊葏?shù)，均是航空發(fā)動機性能測試過程中的關(guān)鍵參數(shù)，它們的準(zhǔn)確性將直接影響整臺航空發(fā)動機的性能測試結(jié)果。

傳統(tǒng)的計量校準(zhǔn)方法，是對上述溫度參數(shù)涉及到的需要進行計量確認(rèn)的項目單獨進行校準(zhǔn)，無法對發(fā)動機試車臺整機健康狀態(tài)開展判定。我們將從發(fā)動機試車臺溫度參數(shù)配置出發(fā)，對靜態(tài)狀態(tài)下的發(fā)動機試車臺傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法，以及改進后的整機校準(zhǔn)方法進行分析，研究溫度計量技術(shù)在航空發(fā)動機試車臺健康管理中的應(yīng)用。

2 溫度參數(shù)的配置及計量校準(zhǔn)方法

2.1 溫度參數(shù)的配置

各型航空發(fā)動機試車臺需要進行校準(zhǔn)的溫度參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)均存在差異，下面我們以某型發(fā)動機試車臺為例，了解其溫度參數(shù)配置要求，如表1所示。

表1 某型發(fā)動機試車臺溫度參數(shù)配置Tab.1 Temperature parameter configuration of a certain engine test stand

2.2 計量校準(zhǔn)方法

2.2.1.1 校準(zhǔn)方法描述

傳統(tǒng)的計量校準(zhǔn)方法，是對上述溫度參數(shù)涉及到的需要進行計量確認(rèn)的項目單獨進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)項目包括：工業(yè)熱電阻、工業(yè)熱電偶、配熱電阻用溫度儀表、配熱電偶用溫度儀表以及發(fā)動機試車臺溫度通道（計算機模擬儀表）。其中，工業(yè)熱電阻、工業(yè)熱電偶、配熱電阻用溫度儀表、配熱電偶用溫度儀表均是采用離線的方式進行計量確認(rèn)。實驗室依據(jù)國家計量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，實施相應(yīng)的檢定或校準(zhǔn)工作。

對于發(fā)動機試車臺系統(tǒng)溫度通道的校準(zhǔn)，計量人員是參照自編校準(zhǔn)規(guī)范實施相應(yīng)的校準(zhǔn)工作。其具體實施過程為：找到需要進行校準(zhǔn)的溫度通道，斷開相應(yīng)的傳感器（熱電阻或熱電偶），將標(biāo)準(zhǔn)器通過專用導(dǎo)線連接到通道的信號輸入端，通過標(biāo)準(zhǔn)器輸入對應(yīng)的標(biāo)稱電量值或模擬信號，從發(fā)動機試車臺控制系統(tǒng)的工作界面讀取對應(yīng)參數(shù)（計算機模擬儀表）的顯示值，通過數(shù)據(jù)比較得出溫度通道的校準(zhǔn)結(jié)果。

不同的標(biāo)準(zhǔn)器對應(yīng)的校準(zhǔn)接線方式存在差異，其校準(zhǔn)原理分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 配熱電阻的溫度通道校準(zhǔn)原理框圖Fig.1 Temperature channel calibration principle block diagram of heat distribution resistor

圖2 配熱電偶的溫度通道校準(zhǔn)原理框圖Fig.2 Calibration principle block diagram of temperature channel with thermocouple

圖3 配熱電偶的溫度通道標(biāo)準(zhǔn)器用溫度校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)原理框圖Fig.3 Calibration principle block diagram of temperature calibrator for standard instrument with thermocouple temperature channel

計量人員通過單獨對溫度傳感器、溫度儀表及溫度通道的合格判定，來確認(rèn)發(fā)動機試車臺溫度系統(tǒng)當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)。

2.2.1.2 傳統(tǒng)方法存在的不足

（1）反復(fù)拆裝導(dǎo)致故障率高。該方法需要反復(fù)拆裝被校傳感器和儀表，而在反復(fù)拆裝的過程中，會提高計量器具的故障率，影響試車臺的正常運行；

（2）耗時長，影響生產(chǎn)。因采用離線校準(zhǔn)，被校傳感器和儀表均需拆卸、安裝，部分被校項目拆裝非常耗時，在試車任務(wù)較重的情況，該方式會影響生產(chǎn)任務(wù)的進度；

（3）缺少對系統(tǒng)綜合誤差的判定方法。通過該方法實施的校準(zhǔn)，可能會出現(xiàn)傳感器、儀表、通道三者單獨校準(zhǔn)的結(jié)果都符合要求，但在其誤差出現(xiàn)同為正或同為負(fù)的情況下，三者誤差疊加后極易出現(xiàn)系統(tǒng)誤差過大的情況，影響試車結(jié)果。且系統(tǒng)誤差影響因素較多，也并非簡單的疊加關(guān)系。

如何將上述傳統(tǒng)方法的風(fēng)險降到最低呢？首先需要避免或減少對溫度傳感器及溫度儀表的拆裝，其次需要一個標(biāo)準(zhǔn)源來實現(xiàn)對溫度傳感器及溫度儀表的在線整機校準(zhǔn)。我們從這兩方面出發(fā)，對發(fā)動機試車臺的在線校準(zhǔn)方法進行研究。

2.2.2.1 校準(zhǔn)方法描述

溫度傳感器從現(xiàn)場拆下來送實驗室檢定或校準(zhǔn)時，利用恒溫槽或臥式檢定爐來提供相應(yīng)的恒定溫場實現(xiàn)檢定或校準(zhǔn)。為避免傳感器的反復(fù)拆裝，首先要考慮的就是將恒定溫場從實驗室轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)現(xiàn)場，實施現(xiàn)場校準(zhǔn)。但恒溫槽或臥式檢定爐的缺點都是體積龐大，不便于移動，且升降溫消耗的時間較長，不適用于生產(chǎn)現(xiàn)場的在線校準(zhǔn)使用。經(jīng)過研究分析，目前便攜式恒溫槽或干體式計量爐，因其體積小，便于攜帶，升降溫快等特點，可作為恒溫源適用于生產(chǎn)現(xiàn)場的在線校準(zhǔn)。便攜式恒溫槽可覆蓋的溫度范圍一般為（－30～200）℃，干體式計量爐可覆蓋的溫度范圍一般為（－30～700）℃，其最大允許誤差一般在±0.25℃左右，溫場的穩(wěn)定性和均勻性均能滿足傳感器的日常校準(zhǔn)需求。所以我們可以根據(jù)不同的校準(zhǔn)需求選擇不同規(guī)格的便攜式恒溫源作為標(biāo)準(zhǔn)熱源，來實現(xiàn)試車臺溫度傳感器及溫度通道（溫度儀表）的在線整機校準(zhǔn)，即發(fā)動機試車臺系統(tǒng)綜合誤差的校準(zhǔn)。

利用便攜式恒溫源開展在線整機校準(zhǔn)工作時，其校準(zhǔn)原理如圖4所示。便攜式恒溫源作為標(biāo)準(zhǔn)熱源提供一個恒定溫場（其溫度設(shè)定值與工藝要求的測量范圍相符），將需要校準(zhǔn)的溫度參數(shù)對應(yīng)的溫度傳感器及主標(biāo)準(zhǔn)器（二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計或一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10－鉑熱電偶）一起放置于恒溫源的有效溫區(qū)中。通過數(shù)據(jù)采集器讀取主標(biāo)準(zhǔn)器示值（可以作為恒溫源內(nèi)部的實際溫度）與發(fā)動機試車臺試車系統(tǒng)讀取溫度參數(shù)（模擬指示儀表）示值比對，直觀地判斷出發(fā)動機試車臺系統(tǒng)的綜合誤差。

圖4 利用便攜式恒溫源進行試車臺系統(tǒng)綜合誤差的校準(zhǔn)原理（比較法）Fig.4 Calibration principle of comprehensive error of test-stand system using portable constant temperature source（comparison method）

2.2.2.2 校準(zhǔn)結(jié)果有效性確認(rèn)

針對某型發(fā)動機試車臺進行在線整機校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果如表2所示。

表2 整機校準(zhǔn)結(jié)果（典型點）Tab.2 Complete machine calibration result（typical points）

通過該校準(zhǔn)方式，有利于消除因儀表和傳感器分開校準(zhǔn)得到的同相偏差疊加而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大的不匹配現(xiàn)象，提高發(fā)動機試車臺系統(tǒng)綜合誤差校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保發(fā)動機試車臺的健康狀態(tài)。

2.2.2.3 在線校準(zhǔn)方法中存在的問題

（1）對于上述“燃?xì)鉁囟取钡脑诰€校準(zhǔn)，缺乏700℃以上的校準(zhǔn)手段（其他發(fā)動機試車臺也存在類似情況）；

（2）對于異型溫度傳感器，無法通過該方式進行校準(zhǔn)；

（3）當(dāng)前研究成果只能在靜態(tài)狀態(tài)下對發(fā)動機試車臺各項參數(shù)實施校準(zhǔn)，能確保其靜態(tài)狀態(tài)下的健康狀態(tài)。但試車臺在試車時的動態(tài)狀態(tài)下，因標(biāo)準(zhǔn)器輸出的信號會受到極大的干擾，導(dǎo)致無法正常傳輸校準(zhǔn)信號或系統(tǒng)采集到的信號出現(xiàn)異常，暫無法判別其動態(tài)下的健康狀態(tài)。

3 結(jié)束語

綜上所述，我們可以基于現(xiàn)有的方法和條件，通過給被校準(zhǔn)參數(shù)傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)熱源的方式，實現(xiàn)溫度傳感器及溫度通道（溫度儀表）的在線整機校準(zhǔn)，對發(fā)動機試車臺系統(tǒng)綜合誤差實施判定，確保其靜態(tài)狀態(tài)下的健康狀態(tài)。但實際工作過程中又會面臨一些目前無法解決的難題，需要我們通過不斷地分析和改進，以尋求更加有效的解決辦法，使新的方法得到廣泛應(yīng)用。