一種渦扇發(fā)動機測溫R 型熱電偶高精度采集方案

陳鵬飛，仇小杰

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063)

1 引言

隨著渦扇發(fā)動機推力的不斷增大，渦輪后燃氣溫度也越來越高。通過渦輪后燃氣溫度這個關(guān)鍵熱力學參數(shù)的采集，用以監(jiān)控發(fā)動機性能，確保渦輪溫度在任何情況下都處于可控范圍，保證發(fā)動機的安全。因此，在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和過渡態(tài)，準確測量渦輪后溫度非常重要。

采用熱電偶傳感器測量渦輪后燃氣溫度時，難以實現(xiàn)熱電偶冷端恒溫條件，導致測量誤差很大。張海濤等[1]采用冷端測溫電路與熱電偶回路分離的硬件結(jié)構(gòu)，利用軟件方法實現(xiàn)冷端補償，提高了溫度測量精度。陽露[2]在某型飛機飛行測試項目的熱電偶測溫中，采取模擬集成硬件的解決方案，通過熱電偶測量和參考接合點補償結(jié)合在一起的方法提高溫度測量精度。雖然熱電偶的測溫原理清晰，在工程應用中也有一定的研究基礎，但是R 型熱電偶在發(fā)動機測溫中的采集方案、冷端溫度選取原則以及溫度修正方法，卻鮮有公開文獻論述。針對這一情況，本文設計了一種渦扇發(fā)動機測溫R 型熱電偶高精度采集方案，并以熱電偶冷端補償原理為基礎，提出一種新型冷端補償方法，并輔以電子控制器修正計算，以實現(xiàn)R 型熱電偶冷端溫度的動態(tài)補償，從而獲得準確的渦輪后燃氣溫度。

2 熱電偶測溫原理

2.1 熱電效應

受熱物體中的電子，會隨溫度梯度從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動，進而產(chǎn)生電流或電荷堆積，這種現(xiàn)象稱為熱電效應[3]。熱電偶基于的原理就是熱電效應。如圖1 所示，2 種不同的導體或半導體分別為A 和B，組成1 個閉合回路。當A 與B 相接的2 個接點的溫度T和T0不同時，就會在回路中產(chǎn)生1 個電勢，此閉合回路就是熱電偶。當回路的2 個端點溫度不同時，就會產(chǎn)生熱電勢。

圖1 熱電偶工作原理Fig.1 Working principle of thermocouple

2.2 冷端補償

實際測量時，溫度測量的目的是測得以0 ℃為基準的熱端溫度T，而熱電勢反映的是熱端和冷端的相對電勢，因此，只有將冷端置于冰水混合物中，才能使冷端不受外界溫度的影響始終保持為0 ℃，此時對應于標準分度表的溫度才是熱端的實際溫度[4]。但在實際測量過程中，由于冷端處在外界環(huán)境中，受環(huán)境溫度影響很大，保持冷端溫度恒定很困難，因此使用熱電偶測溫的過程中需要冷端補償。

根據(jù)中間溫度定理可得：

3 R 型熱電偶采集方案

在進行渦扇發(fā)動機渦輪后燃氣溫度測量時，熱電偶熱端置于燃氣中，冷端放置位置則需考慮的因素很多。冷端所處溫度場不穩(wěn)定會帶來誤差，冷端與熱端需要溫度差才能實現(xiàn)熱電偶的測量，同時還要考慮測量線路長度帶來的測量誤差[5]。為了讓冷端免受被測介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境的影響，往往采用補償導線(與所使用的熱電偶具有相同熱電特性的廉價金屬)，將熱電偶的冷端延引到遠離高溫區(qū)的地方，從而使新的冷端溫度相對穩(wěn)定[6-7]。同時，當冷端與熱端距離較遠時，利用補償導線可以節(jié)約大量貴金屬，減小熱電偶回路電阻，而且便于鋪設、安裝。

3.1 采集回路設計

由于渦扇發(fā)動機渦輪后燃氣溫度場的不均勻性，需要采用多支溫度傳感器進行采集。根據(jù)溫度采集功能域進行信號采集邏輯域設計，并根據(jù)邏輯域功能進行分配設計形成物理域。因此，渦扇發(fā)動機渦輪后燃氣溫度測溫組件一般包括熱電偶傳感器、集電環(huán)、發(fā)動機補償電纜和電子控制器(包含冷端補償電路、信號采樣電路和軟件處理算法)。渦扇發(fā)動機溫度采集回路設計表如表1 所示。渦扇發(fā)動機測溫R 型熱電偶一般選用I 級精度偶材，傳感器的設計比較成熟，其本身精度可以得到保證。補償電纜的精度取決于R 分度補償電纜的材質(zhì)，由材料的物理特性決定。因此，提高電子控制器信號采集回路精度對溫度信號采集起主要作用。

表1 渦扇發(fā)動機溫度采集回路設計表Table 1 Design table of temperature acquisition circuit for turbofan engine

3.2 信號采集原理

多支R 型熱電偶傳感器并聯(lián)后輸出2 組信號接入集電環(huán)，每組信號分別進入1 個電子控制器，電子控制器經(jīng)過濾波、放大處理后轉(zhuǎn)換成電壓信號?？刂栖浖鶕?jù)標定數(shù)據(jù)和補償原理進行溫度處理。R 型熱電偶信號采集原理見圖2。

圖2 R 型熱電偶信號采集原理圖Fig.2 Schematic diagram of R-type thermocouple signal acquisition

3.3 冷端補償設計

根據(jù)熱電偶溫度傳感器和電子控制器在發(fā)動機上的布局，熱電偶的冷端溫度傳感器一般布局在電子控制器連接插座內(nèi)部印制板上，電子控制器內(nèi)部熱電偶處理電路應盡可能接近連接插座，使得處理節(jié)點的溫度與冷端溫度傳感器測量的溫度基本一致。根據(jù)中間導體定律[8]，電子控制器內(nèi)部處理電路板與接插件針腳連接的導線采用普通銅線。由于不存在R 型熱電偶材質(zhì)的插針、插孔，且控制器內(nèi)外存在較大溫差，所以不能把R 型熱電偶的冷端直接引入控制器內(nèi)部，傳統(tǒng)的熱電偶冷端設計方案不適用于R 型熱電偶。為提高R 型熱電偶采集精度，設計了一種新型冷端補償方案，見圖3。將電子控制器的插座溫度作為R 型熱電偶信號的冷端，同時用K 型熱電偶測量R 型熱電偶信號的冷端溫度；K 型熱電偶的冷端直接引入控制器內(nèi)部，同時用PT100 測量K 型熱電偶信號的冷端溫度。

圖3 R 型熱電偶冷端補償方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of R-type thermocouple cold end compensation scheme

根據(jù)中間溫度定律公式，計算R 型熱電偶信號參考端為0 ℃時的熱電勢：

由于T1和T2為同一個插座的溫度，溫度基本一致，所以認為T1=T2。根據(jù)中間溫度定律公式，計算K 型熱電偶信號參考端為0 ℃時的熱電勢：

根據(jù)K 型熱電偶分度表換算出T1，代入公式(2)，再根據(jù)R 型熱電偶分度表可以換算出R 型熱電偶測量的真實溫度。

3.4 熱電偶分度表的選取

根據(jù)圖4 中原理，控制軟件需完成冷端溫度計算、熱電勢計算、冷端溫度補償、由分度表查詢溫度值等功能[9]?？刂栖浖话愀鶕?jù)寫入的熱電偶分度表，用線性插值法得出相應的電壓值(mV)和溫度值[10]，因此，熱電偶分度表的選取尤為關(guān)鍵。為了提高控制軟件的插值運算效率，減少軟件運行耗時，寫入控制軟件的熱電偶分度表數(shù)組長度一般設置為16 位。

圖4 R 型熱電偶冷端補償軟件處理算法Fig.4 Software processing algorithm of R-type thermocouple cold end compensation

根據(jù)電子控制器運行場景分析，外部環(huán)境溫度范圍在-60～220 ℃，因此K 型熱電偶分度表的最大溫度選取240 ℃。根據(jù)K 型熱電偶分度表[11]，分別以5 ℃、10 ℃、20 ℃為間隔選取插值表，繪圖結(jié)果見圖5?？煽闯?，3 條線基本重合，可以選擇20 ℃為間隔插值表。在0～240 ℃工作溫度范圍內(nèi)，對K 型熱電偶分度表進行線性擬合，R2=1.0，線性擬合程度高，在一定工作溫度范圍內(nèi)線性插值表可以代替分度表。寫入控制軟件的K 型熱電偶分度表見表2。

表2 K 型熱電偶分度表選取結(jié)果Table 2 Selection results of K-type thermocouple graduation table

圖5 K 型熱電偶不同溫度間隔分度表繪圖結(jié)果Fig.5 Drawing results of K-type thermocouple graduation table with different temperature intervals

根據(jù)渦扇發(fā)動機測溫要求，R 型熱電偶分度表的最大溫度選取1 500 ℃。由于R 型熱電偶分度表在低溫段線性度較差，因此分3 個溫度區(qū)間選值，分別是-50～200 ℃、200～600 ℃、600～1 500 ℃。

在-50～200 ℃溫度區(qū)間，根據(jù)R 型熱電偶分度表[8]，分別以5 ℃、50 ℃、100 ℃為間隔選取插值表，繪圖結(jié)果見圖6?？煽闯觯? ℃、50 ℃間隔插值表2 條線基本重合，可以選擇50 ℃為間隔的插值表。分別在0～50 ℃、50～100 ℃、100～150 ℃、150～200 ℃工作溫度范圍內(nèi)，對R 型熱電偶分度表進行線性擬合，R2分別等于0.998 5、0.999 7、0.999 8、0.999 9，線性擬合程度高，在一定工作溫度范圍內(nèi)線性插值表可以代替分度表。因此，在-50～200 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，選擇50 ℃為間隔的插值表。

圖6 R 型熱電偶(-50～200 ℃)不同溫度間隔分度表繪圖結(jié)果Fig.6 Drawing results of R-type thermocouple (-50～200 ℃)graduation table with different temperature intervals

在200～600 ℃溫度區(qū)間，根據(jù)R 型熱電偶分度表，分別以5 ℃、50 ℃、100 ℃為間隔選取插值表，繪圖結(jié)果見圖7?？煽闯?，3 條線基本重合，可以選擇100 ℃為間隔的插值表。分別在200～300 ℃、300～400 ℃、400～500 ℃、500～600 ℃工作溫度范圍內(nèi)，對R 型熱電偶分度表進行線性擬合，R2分別等于0.999 8、0.999 9、1.0、1.0，線性擬合程度高，在一定工作溫度范圍內(nèi)線性插值表可以代替分度表。因此，在200～600 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，選擇100 ℃為間隔的插值表。

圖7 R 型熱電偶(200～600 ℃)不同溫度間隔分度表繪圖結(jié)果Fig.7 Drawing results of R-type thermocouple (200～600 ℃)graduation table with different temperature intervals

在600～1 500 ℃溫度區(qū)間，根據(jù)R 型熱電偶分度表，分別以5 ℃、50 ℃、100 ℃、200 ℃為間隔選取插值表，繪圖結(jié)果見圖8?？梢钥闯觯? 條線基本重合，可以選擇200 ℃為間隔的插值表。分 別 在600～800 ℃、800～1 000 ℃、1 000～1 200 ℃、1 200～1 400 ℃、1 400～1 500 ℃工作溫度范圍內(nèi)，對R 型熱電偶分度表進行線性擬合，R2分別等于0.999 9、0.999 9、1.0，1.0，1.0，線性擬合程度高，在一定工作溫度范圍內(nèi)線性插值表可以代替分度表。因此，在600～1 500 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，選擇200 ℃為間隔的插值表。根據(jù)上述結(jié)果分析，R 型熱電偶分度表的選取見表3。

表3 R 型熱電偶分度表選取結(jié)果Table3 Selection results of R-type thermocouple graduation table

圖8 R 型熱電偶(600～1 500 ℃)不同溫度間隔分度表繪圖結(jié)果Fig.8 Drawing results of R-type thermocouple (600～1 500℃) graduation table with different temperature intervals

假設采用冷端補償后的R 型熱電偶的熱電勢為13.437 mV，根據(jù)表3 中(1 200 ℃，13.228 mV)和(1 400 ℃，16.040 mV)兩點進行線性插值，計算得到溫度值為1 214.86 ℃。查表可得，13.437 mV 對應的溫度值為1 215.00 ℃，查表值與分段線性插值計算值相差0.14 ℃?？梢姡ㄟ^分段線性插值達到了簡化查表的目的，也保證了精度要求。

4 驗證

用FLUKE 多功能檢驗儀進行電子控制器R 型熱電偶采集信號的精度檢查。FLUKE 多功能檢驗儀選擇R 型熱電偶輸出特性，冷端補償溫度為電子控制器R 型熱電偶傳感器信號采集的插座端溫度。電子控制器在常溫環(huán)境下，通過設置不同的溫度，檢查電子控制器溫度信號采集情況。驗證結(jié)果見表4，可見信號采集最大誤差為1 ℃以內(nèi)，滿足設計要求。

表4 采集精度驗證結(jié)果Table 4 Acquisition accuracy verification results

5 結(jié)論

針對渦扇發(fā)動機測溫R 型熱電偶設計了一種高精度采集方案，提出了一種分段冷端補償方案，同時通過合理選取熱電偶分度表寫入控制軟件。利用標準信號源進行檢查驗證，信號采集誤差滿足設計要求。目前，此方案已經(jīng)應用于發(fā)動機臺架試車，效果良好。