航空发动机热电阻测温误差分析

2016-08-31左泽敏段小维

中国科技信息 2016年1期

左泽敏段小维王　欢

航空发动机热电阻测温误差分析

左泽敏段小维王欢

温度参数测量精度在被试航空发动机试验中要求越来越高，热电阻测温是航空发动机飞行试验中使用较多的测量温度方式。本文首先介绍了影响热电阻测温的基本原理，其次分析了影响热电阻测温精度几点要素——接线方式、响应延迟、自身过电发热等，最后，总结如何避免这些因素影响的措施，提高热电阻测量精度。

航空发动机是工作在极其恶劣的高温高压环境中，而温度参数是被试航空发动机飞行试验和地面台架试验中特别重要的参数。相关温度参数直接参与被试发动机的控制系统，准确的测量这些温度可以保证航空发动机的安全以及在飞行试验中相关性能、加减速特性等一系列课目的计算准确性。

目前在实际航空发动机试验中，应该最广的采用热电阻、热电偶两种材料的温度传感器对温度参数进行测量，热电阻传感器一般用于温度范围在-50℃～400℃，一般用于测量被试航空发动机滑油、燃油温度、及相关环境温度等参数；而热电偶在低温范围测量有着相对较大的误差，但其可以测量400℃以上的温度范围，用于测量的航空发动机流道各截面气体温度。本文介绍了热电阻测量温度的基本工作原理，并分析了一般热电阻的材料特性，及在航空发动机试验中应该广泛的pt100型热电阻传感器的误差，并对热电阻在测温的接线的几种方式以及影响精度的相关因素进行了分析，并对热电阻在航空发动机试验中的应用注意进行总结。

基本原理

热电阻测量温试的工作原理是根据电阻的热效应进行温度测量的，金属热电阻的电阻值与感受到的温度的关系，可以采用式1进行表示。

Rt=Rt0（1 +α（t - t0 ））（1）

其中Rt为被测温度t时的阻值；Rt0为被测温度t0 （通常t0 = 0 ℃）时对应电阻值；α为材料的温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系可以用式（2）进行表示。

Rt = AeB/t （2）

其中Rt为被测温度为t时的阻值；A、B 为半导体热敏电阻材料结构的常数。因此可以根据金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量工作。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度较高，而且稳定性较好，广泛应用在工业温度测量中，且用于相关的标准温度测量仪器中。

可以用于设计热电阻传感器的材料有很多种，如图2所示，根据测温的范围大小不同，分别描述了铂、铜、钨、热敏电阻的电阻温度关系曲线，从图中可以看出，铂测量的温度范围较宽、线性好，稳定性较好，铜比铂测量温度范围要小的多；钨在300℃以上，显示出明显非线性的特征，可测量的范围更低，热敏电阻在300℃以上，具有较好的线性。

目前，航空发动机热电阻测温的传感器中，选用较多的是铂电阻材料的Pt100的热电阻传感器。根据GJB 2716～1996提供的铂电阻PT100的分度表，可以得到-50℃～650℃温度范围之间，每10℃之间的电阻的差值，如图2所示，可以看出，-50℃～650℃之间，电阻差值均在3～4Ω之间，其电阻值相差不到1Ω，若采用多点线性校准，校准误差极大值为不大于2.8℃，其误差值小且相较于其材料型号的温试传感器，测量温试范围宽，误差小是其在航空发动机试验中广泛应用的基础。

图2　不同材料热阻效应

热电阻误差影响分析

接线方式

航空发动机测试系统中，所有的采集板卡最终感受到的电信号均电压值，因此，热电阻测量温度时，通常需要因温度变化引起的电阻的变化转换为电压值的变化，采集板卡设计时输出一路恒定的电流源和一路电压信号测量通道，通过转接插头引线接至电偶阻传感器，传感器的接线如图1所示。可以看出，热电阻的采集接线方式有热电阻两端接入单线方式（二线制）；一端二根线，一端单线方线（三线制）；两端均为双线方式（四线制）。其优缺点如下。

（1）二线制引线方法较为简单，即采用图1中实线连接方式，两端的连接导线的线电阻通过电流量会产生一定的电压值误差，因此，误差值为测量端电压的大小与实际热电阻两端电压的差值，其导线电阻的大小决定了误差大小，由于接线的导线电阻的大小与其材质和长度因素有关，因此这种二线制势接线方式仅适用于测量精度不高、布线走线困难的场合。。

图3　10℃温度（-50～ 650℃）递增PT100电阻差值曲线

图1　热电阻接线方式

（2）三线制通常与电桥配套使用，当桥臂测量端达到平衡时，可获完全消除引线电阻的影响，但热电阻传感器通过感受被测温度的变化从而发生阻值变化，电桥一般处于不平衡状态，这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥，其引线电阻引起的测量误差并不能完全被消除掉，采用三线制已经能大大减少了引线电阻的误差影响，目前，工业上一般都采用三线制接法，针对三线制热电阻已能做到高精度的测量，但需在电路上进行设计补偿。

（3）四线制中采用两根引线为热电阻提供恒定电流，把电阻值转换成相应的电压信号，再通过另两根引线把被测的电压值引入二次仪表，所得到的电压值即为热电阻两端的电压的真实值，这种引线方式完全的消除因引线产生的电阻影响，可用于高精度的温度测量场合。

因此，航空发动机的相关热电阻温度测量中，影响被试发动机运转安全，参考航空发动机控制等参数尽可能采用精度最高的四线制接线方式，而对于存在后期线路改装过程中，线路资源紧张，布线困难等温度参数，可以采用精度相对较低的二线制或三线制，其可以通过测量线阻大小或在板卡信号端传感器输出端加载标准电阻值进行校准，可以相应的减小因引线方式的线阻误差。

响应延迟

热电阻测量元件，一般采用钢质材料对传感器进行封装，封装后的成品传感器，在测量时，首先封装的壳体受到加热，并将热量传递到中间的热电阻部分，从而实现环境温度的测量。因此，由于传感器封装材料以及热电阻材料的存在的热容性，在变化的温度场内，受感器达到所测实际环境温度，必定存在时间延迟。时间延迟的大小与所选传感器封装材料、热电阻材料、传感器的外形和温度变化的范围相关。

文献一文讨论了不同的热电阻温度传感器在阶跃温升环境情况下的响应情况下，选用的热电阻传感器通常需几分钟时间才能达到与环境一致的温度。文献通过对未经封装的快速响应热敏电阻进行测温的时间延迟进行相关试验，延迟时间达到了0.3s，在实际使用中，经封装的传感器，延迟还会增加。延迟时间的长短与封装结构和材料相关，结构厚重，热容性大，其温度上升或下降则较慢。

在发动机的热电阻温度测量应用中，考虑被测环境的特殊复杂性，尤其需考虑产品质量的安全性，可靠性，必须对热电阻传感器进行可靠封装，但在测量温度信号时应考虑封装及热电阻本身对温度信号滞后性，特别在温度突升的情况下。

自身过电发热

热电阻在实际使用中，采用恒定的电流接入，因此当电流通过热电阻时会致其本身发热，阻值越大发热越严重，使其阻值变大。在测量一个恒温环境，由于自身通电的发热，其测得的温度值要大于环境值，因此，在实际使用中，应选择合适的通过电流大小，阻值相关文献指出，其电流应不大于6mA。且选用的热电阻传感器时，即要保证采集板卡能够对感受到的电压的精度测量，同时兼顾其过电发热影响，阻值不宜太大。