接觸式熱電偶溫度測量可靠性

摘要:為更多獲取發(fā)動機(jī)的溫度參數(shù)，某型發(fā)動機(jī)新增20個溫度測點(diǎn)，用于測量發(fā)動機(jī)氣瓶、渦輪泵、噴管等組件的表面溫度或其周圍的環(huán)境溫度。溫度測量是發(fā)動機(jī)工作時不可缺少的測試項(xiàng)目之一，更準(zhǔn)確研究發(fā)動機(jī)在發(fā)射前預(yù)冷及飛行時與地面試車熱環(huán)境差異，為研究天地差對發(fā)動機(jī)所造成的影響提供數(shù)據(jù)支持，監(jiān)測發(fā)動機(jī)組件工作是否正常，及對發(fā)動機(jī)技術(shù)改進(jìn)提供可靠的參考依據(jù)。
　　溫度測量是發(fā)動機(jī)工作時不可缺少的測試項(xiàng)目之一,更準(zhǔn)確研究發(fā)動機(jī)在發(fā)射前預(yù)冷及飛行時與地面試車熱環(huán)境差異,為研究天地差對發(fā)動機(jī)所造成的影響提供數(shù)據(jù)支持,監(jiān)測發(fā)動機(jī)組件工作是否正常,及對發(fā)動機(jī)技術(shù)改進(jìn)提供可靠的參考依據(jù)。在溫度測量中，溫度變換器與接觸式熱電偶溫度傳感器配套使用，用于測量渦輪泵殼體表面的溫度，發(fā)動機(jī)地面試車時發(fā)現(xiàn)預(yù)冷段存在溫度異常升高的問題，無熱源，溫度升高與實(shí)際物理現(xiàn)象不符，溫度參數(shù)異常。經(jīng)分析，溫度變換器系列存在共模抑制能力低的問題。
　　為提高溫度變換器的共模電壓抑制能力，提高測量的可靠性，計劃采用儀表運(yùn)放AD620SQ代替低噪聲運(yùn)放OP07A，并對電阻、電容進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整;更改后的產(chǎn)品共模電壓抑制能力由約40mV/V提升為3mV/V。將發(fā)動機(jī)環(huán)境溫度測量準(zhǔn)確度由31%提高到3%。攻克了“溫度變換器共模抑制比低”的問題。
1引言
　　某型發(fā)動機(jī)新增20個溫度測點(diǎn)，用于測量發(fā)動機(jī)氣瓶、渦輪泵、噴管等組件的表面溫度或其周圍.的環(huán)境溫度。溫度測量是發(fā)動機(jī)工作時不可缺少的測試項(xiàng)目之一,更準(zhǔn)確研究發(fā)動機(jī)在發(fā)射前預(yù)冷及飛行時與地面試車熱環(huán)境差異，為研究天地差對發(fā)動機(jī)所造成的影響提供數(shù)據(jù)支持，監(jiān)測發(fā)動機(jī)組件工作是否正常，及對發(fā)動機(jī)技術(shù)改進(jìn)提供可靠的參考依據(jù)。發(fā)動機(jī)的溫度測量由溫度傳感器、溫度變換器、溫度傳感器電纜三部分組成。
　　新增溫度測點(diǎn)配套使用的溫度傳感器包括:鉑電阻型和熱電偶型溫度傳感器;溫度變換器根據(jù)溫度傳感器輸入形式不同，分為電阻-電壓轉(zhuǎn)換類型和亳伏電壓-電壓轉(zhuǎn)換類型，其內(nèi)部電路設(shè)計有所不同，具體見表1。
 
　　新增溫度測點(diǎn)參加發(fā)動機(jī)3次試車后，數(shù)據(jù)分析時發(fā)現(xiàn)，使用熱電偶型溫度傳感器的測點(diǎn)在發(fā)動機(jī)預(yù)冷時數(shù)據(jù)異常，在無熱源的情況下，溫度升高250K，與實(shí)際物理現(xiàn)象不符。經(jīng)計算，該測點(diǎn)的測量精度為31%，遠(yuǎn)超出正常+3%的精度要求，如圖1所示。
 
　　經(jīng)分析試驗(yàn)研究，燃料即液氫和液氧流動產(chǎn)生的靜電對熱電偶測量有影響，用同批次同狀態(tài)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)與電路原理仿真分析，發(fā)現(xiàn)溫度變換器輸出電壓隨共模電壓變化而變化，電壓變化值與共模電壓值基本呈線性關(guān)系。溫度變換器系列存在共模抑制能力低的問題。
　　為提高溫度變換器的共模電壓抑制能力，采用儀表運(yùn)放AD620SQ代替低噪聲運(yùn)放OP07A,并對電阻、電容進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整;更改后的產(chǎn)品性能指標(biāo)滿足技術(shù)條件及任務(wù)書的要求，同時經(jīng)過多次地面試車考核，共模電壓抑制能力得到明顯提高。
　　通過對熱電偶溫度測量的可靠性研究,進(jìn)一步提升溫度變換器在氫氧發(fā)動機(jī)復(fù)雜工作環(huán)境狀態(tài)下的測量準(zhǔn)確性。
2熱電偶溫度測量技術(shù)原理
2.1基本概念
　　共模電壓:在每個導(dǎo)體和所規(guī)定的參考點(diǎn)之間(往往是大地或機(jī)架)出現(xiàn)的相量電壓的平均值。或者說同時加在電壓表兩測量端和規(guī)定公共端之間的那部分輸入電壓的三分之一。
　　共模干擾:定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差。共模干擾在導(dǎo)線與地(發(fā)動機(jī)機(jī)架)之間傳輸，-般指兩根信號線上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲，屬于非對稱性干擾。
差模干擾:定義為任何兩個載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差
　　共模抑制比:為了說明差分放大電路抑制共模信號及放大差模信號的能力，常用來共模抑制比作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來衡量,其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)Aud對共模信號的電壓放大倍數(shù)Auc之比，稱為共模抑制比。
　　儀表放大器:差分放大器的一種改良，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，使放大器適用于測量以及電子儀器上。儀表放大器在線路圖上是一顆運(yùn)算放大器;但實(shí)際上是由三顆運(yùn)算放大器所組成的，后級則是差分放大器，用于兩個輸入端的差分放大。
　　差分放大器:-.種將兩個輸入端電壓差以一固定增益放大的電子放大器。
　　運(yùn)算放大器:具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊，它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。
2.2熱點(diǎn)偶溫度傳感器
　　熱電偶溫度傳感器以點(diǎn)焊的方式安裝在發(fā)動機(jī)被測部位，在安裝時使用厚度為0.2~0.3mm的不銹鋼壓片，按使用說明書所述敏感部位點(diǎn)焊外見圖2(1)，敏感部位再增加壓片點(diǎn)焊固定措施圖2(2),.根據(jù)走線情況固定電纜。
 
　　為了試驗(yàn)驗(yàn)證，找出問題，溫度傳感器采用了采用了點(diǎn)焊和絕緣后膠粘2種安裝方式，通過幾次試車更改溫度傳感器在發(fā)動機(jī)上的安裝方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，測試結(jié)果無明顯改善，可以判斷溫度傳感器安裝方式對測量結(jié)果沒有較大影響，不是主要原因。
2.3溫度變換器原理
　　溫度傳感器和變換器用于發(fā)動機(jī)尾段溫度參數(shù)的敏感響應(yīng)，將傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換為0~5V標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，供后端采集設(shè)備使用。溫度變換器安裝在發(fā)動機(jī)機(jī)架上，安裝示意圖見圖3。
 
　　溫度變換器安裝在發(fā)動機(jī)機(jī)架上，溫度變換器多點(diǎn)接地。同時，溫度變換器在發(fā)動機(jī)路內(nèi)有液氫液氧流動時，液體的流動產(chǎn)生的摩擦導(dǎo)致不同位置出現(xiàn)電勢差，造成共模電壓，從而使測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，溫升較高，與實(shí)際工況不符，從而可以得出溫度變換器共模電壓抑制能力較差。
2.4產(chǎn)品測試及改進(jìn)分析
　　對參加過試車的溫度變換器進(jìn)行復(fù)查分析，復(fù)查記錄見表2。
 
溫度變換器產(chǎn)品本身無故障問題，
　　溫度變換器共模電壓抑制測試情況見表3。測試方法為:傳感器、變換器正常聯(lián)試，在傳感器信號輸出端與信號地間加直流電壓，測試變換器輸出電壓值。
 
　　經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)溫度變換器輸出電壓隨共模電壓變化而變化，電壓變化值與共模電壓值基本呈線性關(guān)系。
　　溫度變換器輸入端原理圖見圖4。理想情況下，不考慮電阻偏差，共模電壓在0~10V間變化時，變換器輸出電壓均為4.798V，不隨共模電壓的變化而變化;而圖4中的電阻精度均為0.1%，當(dāng)電阻存在偏差時，變換器輸出電壓隨共模電壓的變化而變化，即電阻匹配性能會導(dǎo)致電路存在共模抑制能力低的問題。采用蒙特-卡羅分析法，電阻按0.1%精度隨機(jī)取值，采集輸出電壓值，對比有無共模電壓兩種狀態(tài)下100次數(shù)據(jù)，見圖5。無共模電壓時，變換器輸出電壓為4.792V~4.803V;共模電壓為10V時,變換器輸出電壓為3.388V~5.786V，同時隨電阻匹配關(guān)系而變化。可以發(fā)現(xiàn)共模電壓的影響與電阻匹配關(guān)系相關(guān)。
 
　　經(jīng)分析，溫度變換器存在共模抑制能力弱的問題，其共模電壓抑制能力取決于電阻匹配關(guān)系。采用儀表運(yùn)算放大器AD620代替當(dāng)前電路,可以解決共模電壓抑制能力弱的問題。更改后的原理圖見圖6,分析有無共模電壓兩種狀態(tài)下，電阻精度按0.1%隨機(jī)變化時變換器輸出電壓，見圖7。經(jīng)仿真，無共模電壓時變換器輸出電壓為4.765V~4.773V;有共模電壓時變換器輸出電壓為4.769V~4.775V。可以認(rèn)為，采用儀表放大器后，共模電壓對變換器輸出電壓的影響很小，變換器共模抑制能力得到明顯提升。
 
　　采用儀表運(yùn)放AD620SQ代替低噪聲運(yùn)放OP07A,溫度變換器YA8-141-12/17需要進(jìn)行運(yùn)放替換并對相應(yīng)器件進(jìn)行更改:
　　運(yùn)算放大器OP07A和AD620B影響溫度變換器性能指標(biāo)的參數(shù)對比情況見表4。經(jīng)對比，AD620B與OP07A性能相近，但失調(diào)電壓和溫漂要高于OP07A，失調(diào)電壓最終影響變換器的零位離散性，溫漂最終影響變換器的高低溫誤差。經(jīng)查,溫度變換器產(chǎn)品高溫誤差為0.01%~0.25%，低溫誤差為0.02%~0.21%,經(jīng)估算更換成儀表運(yùn)放后能夠滿足高低溫誤差最大可能達(dá)到0.8%，滿足1%的指標(biāo)要求。通過理論分析，可以認(rèn)為，儀表運(yùn)放AD620代替OP07方案可行，更改后的產(chǎn)品能夠滿足性能指標(biāo)的要求。
 
3實(shí)施效果及試驗(yàn)驗(yàn)證
　　溫度變換器更改后進(jìn)行各項(xiàng)摸底測試共模抑制情況見表5。產(chǎn)品共模電壓抑制能力測試情況見表5,測試方法同更改前。對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品更改后共模抑制能力大幅提升，由約40mV/V提升為3mV/V。
 
　　溫度變換器提高共模電壓抑制能力后，采用儀表運(yùn)放AD620SQ代替低噪聲運(yùn)放OP07A，并對電阻、電容進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。從溫度變換器更改后的兩次試車情況，如圖8、圖9所示，通過數(shù)據(jù)分析,預(yù)冷段平滑下降，無異常升高現(xiàn)象，溫度正常，溫度變換器更改措施有效。
 
　　經(jīng)驗(yàn)證，產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)更改后產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足任務(wù)書和單機(jī)技術(shù)條件的要求;從單機(jī)測試及搭載試車情況可知，更改后產(chǎn)品的共模抑制能力得到了明顯提升，更改措施有效。
　　溫度傳感器改進(jìn)后共模抑制能力得到提高，表明電路的抑制溫漂的能力越強(qiáng)。同時，電路上工藝的改進(jìn)也符合航天相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為將來其他的發(fā)動機(jī)溫度變換器的研制提供了很好的思路，應(yīng)用前景
廣闊。
4結(jié)論
　　本文通過地面熱試車過程中，發(fā)現(xiàn)熱電偶溫度測量異常升高的現(xiàn)象，對溫度傳感器和溫度變換器進(jìn)行了分析，并溫度變換器的改進(jìn)設(shè)計，改進(jìn)后的產(chǎn)品通過多次試驗(yàn)研究以及地面熱試車考核，未出現(xiàn)與
　　實(shí)際測量環(huán)境不符合的現(xiàn)象，從而提高了溫度傳感器及變換器測量的可靠性。
　　近年來，隨著發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的不斷增多，對發(fā)動機(jī)工作時組件的溫度及發(fā)動機(jī)周圍環(huán)境的溫度的測量日益重要，溫度超乎尋常的變化往往預(yù)示某些組件出現(xiàn)問題，溫度變換器測量的研究,對于預(yù)研的氫氧發(fā)動機(jī)、液氧甲烷發(fā)動機(jī)的測量的研制等具有借鑒意義。