左澤敏 段小維 王　歡

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱電阻測(cè)溫誤差分析

左澤敏 段小維 王歡

溫度參數(shù)測(cè)量精度在被試航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中要求越來越高，熱電阻測(cè)溫是航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)中使用較多的測(cè)量溫度方式。本文首先介紹了影響熱電阻測(cè)溫的基本原理，其次分析了影響熱電阻測(cè)溫精度幾點(diǎn)要素——接線方式、響應(yīng)延遲、自身過電發(fā)熱等，最后，總結(jié)如何避免這些因素影響的措施，提高熱電阻測(cè)量精度。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是工作在極其惡劣的高溫高壓環(huán)境中，而溫度參數(shù)是被試航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)和地面臺(tái)架試驗(yàn)中特別重要的參數(shù)。相關(guān)溫度參數(shù)直接參與被試發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，準(zhǔn)確的測(cè)量這些溫度可以保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全以及在飛行試驗(yàn)中相關(guān)性能、加減速特性等一系列課目的計(jì)算準(zhǔn)確性。

目前在實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，應(yīng)該最廣的采用熱電阻、熱電偶兩種材料的溫度傳感器對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，熱電阻傳感器一般用于溫度范圍在-50℃～400℃，一般用于測(cè)量被試航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油、燃油溫度、及相關(guān)環(huán)境溫度等參數(shù)；而熱電偶在低溫范圍測(cè)量有著相對(duì)較大的誤差，但其可以測(cè)量400℃以上的溫度范圍，用于測(cè)量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)流道各截面氣體溫度。本文介紹了熱電阻測(cè)量溫度的基本工作原理，并分析了一般熱電阻的材料特性，及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中應(yīng)該廣泛的pt100型熱電阻傳感器的誤差，并對(duì)熱電阻在測(cè)溫的接線的幾種方式以及影響精度的相關(guān)因素進(jìn)行了分析，并對(duì)熱電阻在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用注意進(jìn)行總結(jié)。

基本原理

熱電阻測(cè)量溫試的工作原理是根據(jù)電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，金屬熱電阻的電阻值與感受到的溫度的關(guān)系，可以采用式1進(jìn)行表示。

Rt=Rt0（1 +α（t - t0 ）） （1）

其中Rt為被測(cè)溫度t時(shí)的阻值；Rt0為被測(cè)溫度t0 （通常t0 = 0 ℃） 時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；α為材料的溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系可以用式（2）進(jìn)行表示。

Rt = AeB/t （2）

其中Rt為被測(cè)溫度為t時(shí)的阻值；A、B 為半導(dǎo)體熱敏電阻材料結(jié)構(gòu)的常數(shù)。因此可以根據(jù)金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量工作。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度較高，而且穩(wěn)定性較好，廣泛應(yīng)用在工業(yè)溫度測(cè)量中，且用于相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)量?jī)x器中。

可以用于設(shè)計(jì)熱電阻傳感器的材料有很多種，如圖2所示，根據(jù)測(cè)溫的范圍大小不同，分別描述了鉑、銅、鎢、熱敏電阻的電阻溫度關(guān)系曲線，從圖中可以看出，鉑測(cè)量的溫度范圍較寬、線性好，穩(wěn)定性較好，銅比鉑測(cè)量溫度范圍要小的多；鎢在300℃以上，顯示出明顯非線性的特征，可測(cè)量的范圍更低，熱敏電阻在300℃以上，具有較好的線性。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱電阻測(cè)溫的傳感器中，選用較多的是鉑電阻材料的Pt100的熱電阻傳感器。根據(jù)GJB 2716～1996提供的鉑電阻PT100的分度表，可以得到-50℃～650℃溫度范圍之間，每10℃之間的電阻的差值，如圖2所示，可以看出，-50℃～650℃之間，電阻差值均在3～4Ω之間，其電阻值相差不到1Ω，若采用多點(diǎn)線性校準(zhǔn)，校準(zhǔn)誤差極大值為不大于2.8℃，其誤差值小且相較于其材料型號(hào)的溫試傳感器，測(cè)量溫試范圍寬，誤差小是其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

圖2　不同材料熱阻效應(yīng)

熱電阻誤差影響分析

接線方式

航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中，所有的采集板卡最終感受到的電信號(hào)均電壓值，因此，熱電阻測(cè)量溫度時(shí)，通常需要因溫度變化引起的電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化，采集板卡設(shè)計(jì)時(shí)輸出一路恒定的電流源和一路電壓信號(hào)測(cè)量通道，通過轉(zhuǎn)接插頭引線接至電偶阻傳感器，傳感器的接線如圖1所示?？梢钥闯觯瑹犭娮璧牟杉泳€方式有熱電阻兩端接入單線方式（二線制）；一端二根線，一端單線方線（三線制）；兩端均為雙線方式（四線制）。其優(yōu)缺點(diǎn)如下。

（1） 二線制引線方法較為簡(jiǎn)單，即采用圖1中實(shí)線連接方式，兩端的連接導(dǎo)線的線電阻通過電流量會(huì)產(chǎn)生一定的電壓值誤差，因此，誤差值為測(cè)量端電壓的大小與實(shí)際熱電阻兩端電壓的差值， 其導(dǎo)線電阻的大小決定了誤差大小，由于接線的導(dǎo)線電阻的大小與其材質(zhì)和長(zhǎng)度因素有關(guān)，因此這種二線制勢(shì)接線方式僅適用于測(cè)量精度不高、布線走線困難的場(chǎng)合。。

圖3　10℃溫度（-50～ 650℃）遞增PT100電阻差值曲線

圖1　熱電阻接線方式

（2） 三線制通常與電橋配套使用，當(dāng)橋臂測(cè)量端達(dá)到平衡時(shí)，可獲完全消除引線電阻的影響，但熱電阻傳感器通過感受被測(cè)溫度的變化從而發(fā)生阻值變化，電橋一般處于不平衡狀態(tài)，這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋，其引線電阻引起的測(cè)量誤差并不能完全被消除掉，采用三線制已經(jīng)能大大減少了引線電阻的誤差影響，目前，工業(yè)上一般都采用三線制接法，針對(duì)三線制熱電阻已能做到高精度的測(cè)量，但需在電路上進(jìn)行設(shè)計(jì)補(bǔ)償。

（3）四線制中采用兩根引線為熱電阻提供恒定電流 ，把電阻值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào) ，再通過另兩根引線把被測(cè)的電壓值引入二次儀表，所得到的電壓值即為熱電阻兩端的電壓的真實(shí)值，這種引線方式完全的消除因引線產(chǎn)生的電阻影響，可用于高精度的溫度測(cè)量場(chǎng)合。

因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)熱電阻溫度測(cè)量中，影響被試發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)安全，參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制等參數(shù)盡可能采用精度最高的四線制接線方式，而對(duì)于存在后期線路改裝過程中，線路資源緊張，布線困難等溫度參數(shù)，可以采用精度相對(duì)較低的二線制或三線制，其可以通過測(cè)量線阻大小或在板卡信號(hào)端傳感器輸出端加載標(biāo)準(zhǔn)電阻值進(jìn)行校準(zhǔn)，可以相應(yīng)的減小因引線方式的線阻誤差。

響應(yīng)延遲

熱電阻測(cè)量元件，一般采用鋼質(zhì)材料對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，封裝后的成品傳感器，在測(cè)量時(shí)，首先封裝的殼體受到加熱，并將熱量傳遞到中間的熱電阻部分，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量。因此，由于傳感器封裝材料以及熱電阻材料的存在的熱容性，在變化的溫度場(chǎng)內(nèi)，受感器達(dá)到所測(cè)實(shí)際環(huán)境溫度，必定存在時(shí)間延遲。時(shí)間延遲的大小與所選傳感器封裝材料、熱電阻材料、傳感器的外形和溫度變化的范圍相關(guān)。

文獻(xiàn)一文討論了不同的熱電阻溫度傳感器在階躍溫升環(huán)境情況下的響應(yīng)情況下，選用的熱電阻傳感器通常需幾分鐘時(shí)間才能達(dá)到與環(huán)境一致的溫度。文獻(xiàn)通過對(duì)未經(jīng)封裝的快速響應(yīng)熱敏電阻進(jìn)行測(cè)溫的時(shí)間延遲進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，延遲時(shí)間達(dá)到了0.3s，在實(shí)際使用中，經(jīng)封裝的傳感器，延遲還會(huì)增加。延遲時(shí)間的長(zhǎng)短與封裝結(jié)構(gòu)和材料相關(guān)，結(jié)構(gòu)厚重，熱容性大，其溫度上升或下降則較慢。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱電阻溫度測(cè)量應(yīng)用中，考慮被測(cè)環(huán)境的特殊復(fù)雜性，尤其需考慮產(chǎn)品質(zhì)量的安全性，可靠性，必須對(duì)熱電阻傳感器進(jìn)行可靠封裝，但在測(cè)量溫度信號(hào)時(shí)應(yīng)考慮封裝及熱電阻本身對(duì)溫度信號(hào)滯后性，特別在溫度突升的情況下。

自身過電發(fā)熱

熱電阻在實(shí)際使用中，采用恒定的電流接入，因此當(dāng)電流通過熱電阻時(shí)會(huì)致其本身發(fā)熱，阻值越大發(fā)熱越嚴(yán)重，使其阻值變大。在測(cè)量一個(gè)恒溫環(huán)境，由于自身通電的發(fā)熱，其測(cè)得的溫度值要大于環(huán)境值，因此，在實(shí)際使用中，應(yīng)選擇合適的通過電流大小，阻值相關(guān)文獻(xiàn)指出，其電流應(yīng)不大于6mA。且選用的熱電阻傳感器時(shí)，即要保證采集板卡能夠?qū)Ω惺艿降碾妷旱木葴y(cè)量，同時(shí)兼顧其過電發(fā)熱影響，阻值不宜太大。

結(jié)語

經(jīng)以上對(duì)熱電阻測(cè)量溫度的影響因素分析，在被試航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：

1）測(cè)試之前應(yīng)該盡可能了解被測(cè)對(duì)象的溫度范圍，選用合適材料的熱電阻溫度傳感器，避免在其非線性區(qū)域進(jìn)行測(cè)試；

2）選用四線制接法可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量溫度的影響，在不得不使用二線制或三線制時(shí)，應(yīng)該對(duì)引線的線阻誤差進(jìn)行校準(zhǔn)消除，使得誤差最??；

3）溫度瞬變較大的環(huán)境中，應(yīng)該考慮熱電阻傳感器測(cè)量溫度的滯后性，選用傳感器時(shí)，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)安全可靠的情況下，選擇封裝結(jié)構(gòu)小，易受環(huán)境加熱的傳感器，若條件允許，應(yīng)該進(jìn)行測(cè)量溫度的滯后性試驗(yàn)，得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；

4）采集器的供電應(yīng)該可能的小，避免其熱電阻自身發(fā)熱帶來的誤差影響。

左澤敏 段小維 王 歡

中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.009