接觸式熱電偶溫度測量可靠性

摘要:為更多獲取發動機的溫度參數，某型發動機新增20個溫度測點，用于測量發動機氣瓶、渦輪泵、噴管等組件的表面溫度或其周圍的環境溫度。溫度測量是發動機工作時不可缺少的測試項目之一，更準確研究發動機在發射前預冷及飛行時與地面試車熱環境差異，為研究天地差對發動機所造成的影響提供數據支持，監測發動機組件工作是否正常，及對發動機技術改進提供可靠的參考依據。
　　溫度測量是發動機工作時不可缺少的測試項目之一,更準確研究發動機在發射前預冷及飛行時與地面試車熱環境差異,為研究天地差對發動機所造成的影響提供數據支持,監測發動機組件工作是否正常,及對發動機技術改進提供可靠的參考依據。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，發動機地面試車時發現預冷段存在溫度異常升高的問題，無熱源，溫度升高與實際物理現象不符，溫度參數異常。經分析，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，計劃采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A，并對電阻、電容進行適應性調整;更改后的產品共模電壓抑制能力由約40mV/V提升為3mV/V。將發動機環境溫度測量準確度由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
　　某型發動機新增20個溫度測點，用于測量發動機氣瓶、渦輪泵、噴管等組件的表面溫度或其周圍.的環境溫度。溫度測量是發動機工作時不可缺少的測試項目之一,更準確研究發動機在發射前預冷及飛行時與地面試車熱環境差異，為研究天地差對發動機所造成的影響提供數據支持，監測發動機組件工作是否正常，及對發動機技術改進提供可靠的參考依據。發動機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;溫度變換器根據溫度傳感器輸入形式不同，分為電阻-電壓轉換類型和亳伏電壓-電壓轉換類型，其內部電路設計有所不同，具體見表1。
 
　　新增溫度測點參加發動機3次試車后，數據分析時發現，使用熱電偶型溫度傳感器的測點在發動機預冷時數據異常，在無熱源的情況下，溫度升高250K，與實際物理現象不符。經計算，該測點的測量精度為31%，遠超出正常+3%的精度要求，如圖1所示。
 
　　經分析試驗研究，燃料即液氫和液氧流動產生的靜電對熱電偶測量有影響，用同批次同狀態產品進行試驗與電路原理仿真分析，發現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，采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A,并對電阻、電容進行適應性調整;更改后的產品性能指標滿足技術條件及任務書的要求，同時經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,進一步提升溫度變換器在氫氧發動機復雜工作環境狀態下的測量準確性。
2熱電偶溫度測量技術原理
2.1基本概念
　　共模電壓:在每個導體和所規定的參考點之間(往往是大地或機架)出現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:定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差。共模干擾在導線與地(發動機機架)之間傳輸，-般指兩根信號線上產生的幅度相等，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技術指標來衡量,其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數Aud對共模信號的電壓放大倍數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算放大器;但實際上是由三顆運算放大器所組成的，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。
　　運算放大器:具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡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熱點偶溫度傳感器
　　熱電偶溫度傳感器以點焊的方式安裝在發動機被測部位，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焊外見圖2(1)，敏感部位再增加壓片點焊固定措施圖2(2),.根據走線情況固定電纜。
 
　　為了試驗驗證，找出問題，溫度傳感器采用了采用了點焊和絕緣后膠粘2種安裝方式，通過幾次試車更改溫度傳感器在發動機上的安裝方式，進行數據積累，測試結果無明顯改善，可以判斷溫度傳感器安裝方式對測量結果沒有較大影響，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動機尾段溫度參數的敏感響應，將傳感器輸出的非標準信號轉換為0~5V標準的電壓信號，供后端采集設備使用。溫度變換器安裝在發動機機架上，安裝示意圖見圖3。
 
　　溫度變換器安裝在發動機機架上，溫度變換器多點接地。同時，溫度變換器在發動機路內有液氫液氧流動時，液體的流動產生的摩擦導致不同位置出現電勢差，造成共模電壓，從而使測試數據穩定性較差，溫升較高，與實際工況不符，從而可以得出溫度變換器共模電壓抑制能力較差。
2.4產品測試及改進分析
　　對參加過試車的溫度變換器進行復查分析，復查記錄見表2。
 
溫度變換器產品本身無故障問題，
　　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。
 
　　經測試，發現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%精度隨機取值，采集輸出電壓值，對比有無共模電壓兩種狀態下100次數據，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，同時隨電阻匹配關系而變化?？梢园l現共模電壓的影響與電阻匹配關系相關。
 
　　經分析，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系。采用儀表運算放大器AD620代替當前電路,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下，電阻精度按0.1%隨機變化時變換器輸出電壓，見圖7。經仿真，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。
 
　　采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A,溫度變換器YA8-141-12/17需要進行運放替換并對相應器件進行更改:
　　運算放大器OP07A和AD620B影響溫度變換器性能指標的參數對比情況見表4。經對比，AD620B與OP07A性能相近，但失調電壓和溫漂要高于OP07A，失調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。經查,溫度變換器產品高溫誤差為0.01%~0.25%，低溫誤差為0.02%~0.21%,經估算更換成儀表運放后能夠滿足高低溫誤差最大可能達到0.8%，滿足1%的指標要求。通過理論分析，可以認為，儀表運放AD620代替OP07方案可行，更改后的產品能夠滿足性能指標的要求。
 
3實施效果及試驗驗證
　　溫度變換器更改后進行各項摸底測試共模抑制情況見表5。產品共模電壓抑制能力測試情況見表5,測試方法同更改前。對比數據發現，產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，采用儀表運放AD620SQ代替低噪聲運放OP07A，并對電阻、電容進行適應性調整。從溫度變換器更改后的兩次試車情況，如圖8、圖9所示，通過數據分析,預冷段平滑下降，無異常升高現象，溫度正常，溫度變換器更改措施有效。
 
　　經驗證，產品技術狀態更改后產品各項性能指標滿足任務書和單機技術條件的要求;從單機測試及搭載試車情況可知，更改后產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。同時，電路上工藝的改進也符合航天相關標準的要求，為將來其他的發動機溫度變換器的研制提供了很好的思路，應用前景
廣闊。
4結論
　　本文通過地面熱試車過程中，發現熱電偶溫度測量異常升高的現象，對溫度傳感器和溫度變換器進行了分析，并溫度變換器的改進設計，改進后的產品通過多次試驗研究以及地面熱試車考核，未出現與
　　實際測量環境不符合的現象，從而提高了溫度傳感器及變換器測量的可靠性。
　　近年來，隨著發動機試驗的不斷增多，對發動機工作時組件的溫度及發動機周圍環境的溫度的測量日益重要，溫度超乎尋常的變化往往預示某些組件出現問題，溫度變換器測量的研究,對于預研的氫氧發動機、液氧甲烷發動機的測量的研制等具有借鑒意義。