某型飞机热电偶信号校准与测试方法

王　真 朱　丽



某型飞机热电偶信号校准与测试方法

王真 朱丽

热电偶是测量飞机汽缸头温度及排气温度的通用手段。本文介绍了飞机测试中热电偶的校准方法及使用方法。在试飞测试过程中，由于测试结果易受座舱温度及环境温度的影响，为座舱安装环境温度传感器，以获得准确结果。

航空发动机温度是表征其工作状态是否正常的重要参数之一，也是飞行员和维护人员必须掌握的重要参数，所以精确有效地检测发动机各部位温度，是发动机定型测试的主要环节。由于发动机部位的温度较高，一般都使用热电偶进行测试。热电偶是广泛应用于高温测量的感温元件，其精确度严重影响到测量结果的准确性。因此，热电偶传感器的校准及其对发动机温度的精确测量至关重要。

热电偶

热电偶是一种一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度值。热电偶具有以下优点：

① 结构简单，坚固，价格低廉；

② 响应快，测温精度较高；

③ 由于补偿导线的应用，使得热电偶可以应用于远距离测量；

④ 测温范围较广。不同型号热电偶的测温范围不同，但基本上都可以实现-200～1800℃的温度测量。

由于以上优点，测量发动机各部位的温度，热电偶是最好的选择。

热电偶原理

图1　热电偶闭合回路

热电偶测温是基于热电效应：由两种导体或半导体A、B组成的闭合回路，如图1所示，若两端温度T和T0不同，回路中就有会产生电动势，即热电动势。这一现象称为热电效应或赛贝克效应（Seeback Effect）。

热电偶就是将A和B两种不同的金属材料一端焊接而成。A和B称为热电极，焊接的一端接触温度为T的热场，称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端（接引线）处于温度To，称为自由端或参考端，也称冷端。工作时一般将冷端置于某一恒定温度下，由于两端存在温差便可把温度转化成电动势以供测量。热电偶回路中热电动势的大小只与热电偶的电极材料和两接点温度有关，而与形状尺寸无关。当热电偶电极材料固定后，热电动势E（T，To）便是温度T和To的函数，即

如果冷端温度To保持不变，则热电动势E（T，To）为热端温度T的单值函数。利用这一关系在实际中进行温度测量，这时热电偶产生的热电动势E（T，To）就只随热端温度T变化而变化，也就是一定的热电动势对应着一定的热端温度。

一般的，取To=0℃作为热电偶冷端温度值，可将热电动势与温度T的函数关系通过实验数据制成分度表，这样，只要测得热电动势E（T， 0），通过计算就可得到被测温度T。

分度表

热电偶的热电势和温度的关系是用它的分度公式和根据分度公式计算的分度表来描述的。分度表是某一种材料的热电偶在冷端温度恒定为0℃时，不同温度下产生的热电动势的标准值。

热电偶有多种分类，目前常用的为K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶），由于其价格低廉，热电动势与温度近似线性，是最广泛使用的廉价金属热电偶。表1是K型热电偶分度表。

冷端补偿

表1　K型热电偶分度简表 单位：mV

热电偶的分度表是在冷端温度为0℃时，根据测量端温度与热电动势的对应关系制成的，可以通过测量热电偶输出的热电动势值，再反查分度表得到相应的温度值。但在实际使用过程中，由于各种原因，冷端无法保持0℃，这就会使所测的温度值产生很大的误差。所以就必须采取相应的方法来进行补偿或修正，以减小误差。常用的方法有冷端恒温法、补偿导线法、调仪表起始点法、补偿电桥法、计算修正法等。

热电偶校准

飞行试验中，需要对热电偶进行校准以保证测温结果的准确性，主要是由于在测量中，一般不另外加装热电偶，而是在飞机原热电偶上抽引信号。校准时需要进行温度注入，即在热电偶的正端串接一个信号源为之施加电动势，代替热电偶的热电动势以模拟温度，负端用导线短接。记录热端所处的环境温度（即热端温度）；冷端接入带有温度补偿的采集器板卡。校准结构框图如图2所示。

校准时遵循由低温向高温逐点升温的顺序，查看分度表依次向热电偶施加各温度点对应的热电动势，记录采集器的输出电压；结束后再反行程逐点施加电动势，记录采集器的输出电压。需要注意的是，输出电压对应的温度为环境温度（即热端温度）与施加电压值对应的温度值之和。因为施加电压为0 mV时，系统也会因环境温度影响而产生热电动势。

如此反复多次，计算各温度点对应电压的平均值，得到温度与输出电压关系曲线。

图2　校准结构框图

某型飞机热电偶信号测试方法

某型飞机需要测量发动机汽缸头温度，该发动机是活塞式6缸发动机，因此汽缸头温度有6个测量信号。采用KAM-500采集器，其采集板卡ACC/CJB/001/101（即冷端盒）自带冷端温度补偿，可实现 15个通道信号的测量。将热电偶冷端外接入采集板卡，经后续调节电路最终进入采集器，经后续数据处理输出在显示设备。

存在问题

测量初始阶段，发现存在以下问题：测量设备的测量结果总高于飞机驾驶舱仪表盘上的汽缸头温度表的测量结果。但使用MC5信号源进行校准却发现个环节正常。

我们进行了细致的分析发现：

发动机位于飞机前部，距离仪表盘较近；

为座舱加温的热风管正好从仪表板中心通过。

由于以上原因，导致飞机汽缸头温度表位置处的环境温度高于测试设备安装位置处的环境温度。在发动机启动前，两位置处温度相同。但随着发动机启动时间增加，两者温差会增大（测试设备安装在飞机后部的行李舱，没有任何加温设施），甚至会达到5℃。

温度补偿方法

由于飞机汽缸头温度表的冷端盒位于座舱内的仪表板上，而测试系统的冷端盒在飞机后舱，两者位置处环境温度存在差异，导致测量的温度不一致。对此进行相应补偿。

补偿办法：在仪表盘的汽缸头温度表附近安装一个环境温度传感器，由采集器采集其输出信号。在数据处理时，用该温度传感器的输出对我们测试设备测量到的汽缸头温度进行补偿，从而获得准确数据。图3为该测量系统框图。

补偿结果与分析

表2　测试结果

图3　补偿测温结构框图

图4　座舱环温与测试环温曲线

试飞测试过程中，驾驶舱仪表盘附近安装的温度传感器测得的座舱温度及后舱测试设备测得的温度列于表2，曲线图如图4所示，其横坐标以11：15为起始0点，单位为min。该结果与测试过程中的现象一致，由于测试设备位置处环境温度低，热电偶两端温差大，其测量结果必然高于仪表盘处测量的温度。

结果表明，用温度传感器进行温度补偿可以准确测得汽缸头温度。随着发动机启动时间增加，座舱温度逐步升高，仪表盘与测试设备的测试温差增大；当发动机启动时间达到50min时，座舱温度恒定，温差基本保持不变。

排气温度热电偶信号测试方法

在飞机热电偶测试中，类似现象经常出现，如发动机的排气温度。测试设备的测量结果与飞机排气温度表测量结果不一致。其原因也相似，随着发动机启动时间增加，排气温度表附近的环境温度升高，而测试设备的环境温度基本保持不变，导致了两者测量结果不同。可以采取类似解决方法。

结语

通过为座舱仪表盘附近安装温度传感器以补偿座舱温度对热电偶测量结果的影响，结果表明，该方法正确可行，为同类现象提供了借鉴经验，具有一定的实用价值及推广意义。

王 真 朱 丽

中国飞行试验研究院

王真，1986年生，女，硕士，工程师，主要从事传感器测试工作；朱丽，1987年生，女，硕士，工程师，主要从事传感器测试工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.012