航空發(fā)動機熱電偶傳感器穩(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)動機領(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，會直接影響到對發(fā)動機性能及狀態(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)動機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會受到輻射誤差、導(dǎo)熱誤差、速度誤差等測量誤差的影響，導(dǎo)致實際測量的溫度低于氣流的真實溫度，而在航空發(fā)動機領(lǐng)域，對溫度測量準(zhǔn)確性的要求很高，為保證發(fā)動機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)測溫偏差開展進一步研究，明確其是否能夠滿足發(fā)動機的使用需求。

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

引言

航空發(fā)動機作為一種復(fù)雜的透平類機械，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，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)動機健康運行的監(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)進行計算、分析，獲取故障機理并依據(jù)診斷結(jié)論制定維修、保養(yǎng)策略，在故障早期進行準(zhǔn)確預(yù)警及診斷為其后續(xù)機組維護提出可行建議。利用熱噴涂技術(shù)進行溫度傳感器的原位制造與微加工，并對樣品進行了靜態(tài)標(biāo)定試驗、高溫高速燃氣沖擊試驗、高速旋轉(zhuǎn)輪盤試驗等系列性能考核，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

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)，進行標(biāo)準(zhǔn)點的升溫與降溫控制，并將實際溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度進行對比，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，由單片機控制電爐絲的通斷，控制檢定爐的溫度，在到達標(biāo)準(zhǔn)溫度以后，系統(tǒng)會自動將標(biāo)準(zhǔn)值與實際值進行對比，確認其是否合格。

1. 2 冷端補償?shù)倪x擇

在航空發(fā)動機試車臺儀表室使用冷端恒溫法，即將冷端置于保護膜內(nèi)，然后將保護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，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)自動升溫到最高點，然后從大到小逐步降溫到每個標(biāo)準(zhǔn)值，并在數(shù)值穩(wěn)定后將實際值與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，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)定值的情況下會停止校準(zhǔn)，返回初始狀態(tài)，這是因為航空發(fā)動機使用的 T4 熱電偶一共使用 4 個鎳鉻 - 鎳鋁傳感器，在校準(zhǔn)過程中，一個傳感器受損或一段線路開路、短路時，溫度就會出現(xiàn)超差，必須更換傳感器才能繼續(xù)進行校準(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，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 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

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