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一种涡扇发动机测温 R 型热电偶高精度采集方案陈鹏飞，仇小杰(中国航发控制系统研究所，江苏 无锡 214063)摘 要：设计了一种涡扇发动机测温 R 型热电偶高精度采集方案。根据热电偶中间温度定理，结合数字电子控制器实际运行场景，选取温度可测量的控制器插头作为热电偶传感器的冷端，这种新型冷端补偿方法解决了数字电子控制器内外温度差带来的冷端测量误差。同时，通过分析热电偶分度表，分段选取不同插值表，采用线性拟合评估方法，保证了软件运算速率和计算精度。利用 FLUKE 多功能检验仪，对 R 型热电偶信号采集回路进行了验证。结果表明，其性能指标满足要求，对于工程应用是一个合理可行的方案。关键词：航空发动机；R 型热电偶；中间温度定理；冷端补偿方法；线性拟合中图分类号：V241.7 文献标识码：A 文章编号：1672-2620(2022)06-0000-06A high precision acquisition scheme of R-type thermocouple for temperature measurement of turbofan engineCHEN Peng-fei,QIU Xiao-jie(AECC Aero Engine Control System Institute,Wuxi 214063,China)Abstract:A kind of R-type thermocouple temperature acquisition scheme for turbofan engine was designed.According to the intermediate temperature theorem of thermocouple and combining with the actual operation scenario of digital electronic controller,the controller plug whose temperature can be measured was selected as the cold end of the thermocouple sensor.As a new cold end compensation method,the cold end measurement error caused by the temperature difference between the inner part and the outer part of the digital electronic controller was solved.At the same time,the operation rate and the calculation accuracy of the software were guaranteed by analyzing the thermocouple graduation table,selecting different interpolation tables in different sections and using the linear fitting evaluation method.The R-type thermocouple signal acquisition circuit was verified by the FLUKE multifunctional calibrator.The results show that its performance indicators meet the requirements,thus it is a reasonable and feasible scheme for engineering application.Key words:aero-engine;R-type thermocouple;intermediate temperature theorem;cold end compensation method;linear fitting1 引言 随着涡扇发动机推力的不断增大，涡轮后燃气温度也越来越高。通过涡轮后燃气温度这个关键热力学参数的采集，用以监控发动机性能，确保涡轮温度在任何情况下都处于可控范围，保证发动机的安全。因此，在发动机稳态和过渡态，准确测量涡轮后温度非常重要。采用热电偶传感器测量涡轮后燃气温度时，难以实现热电偶冷端恒温条件，导致测量误差很大。张海涛等1采用冷端测温电路与热电偶回路分离的硬件结构，利用软件方法实现冷端补偿，提高了温度测量精度。阳露2在某型飞机飞行测第 35 卷 第 6 期2022 年 12 月燃气涡轮试验与研究Gas Turbine Experiment and ResearchVol.35,No.6Dec.,2022 51收稿日期：2022-07-22作者简介：陈鹏飞(1983-)，男，山东莱芜人，高级工程师，硕士，主要从事控制系统综合测试与验证研究。即只需要将测量得到的热电势加上冷端修正热电势，便可得到热电偶测量端热电势，再查询标准分度表即可得到热端温度。或者冷端处于恒温环境，即已知的情况下，也可以方便地测得热端温度。冷端补偿就是通过不断修正热电势或者修正，进而得到热端温度的过程。3 R 型热电偶采集方案 在进行涡扇发动机涡轮后燃气温度测量时，热电偶热端置于燃气中，冷端放置位置则需考虑的因素很多。冷端所处温度场不稳定会带来误差，冷端与热端需要温度差才能实现热电偶的测量，同时还要考虑测量线路长度带来的测量误差5。为了让冷端免受被测介质温度和周围环境的影响，往往采用补偿导线(与所使用的热电偶具有相同热电特性的廉价金属)，将热电偶的冷端延引到远离高温区的地方，从而使新的冷端温度相对稳定6-7。同时，当冷端与热端距离较远时，利用补偿导线可以节约大量贵金属，减小热电偶回路电阻，而且便于铺设、安装。3.1 采集回路设计 由于涡扇发动机涡轮后燃气温度场的不均匀性，需要采用多支温度传感器进行采集。根据温度采集功能域进行信号采集逻辑域设计，并根据逻辑域功能进行分配设计形成物理域。因此，涡扇发动机涡轮后燃气温度测温组件一般包括热电偶传感器、集电环、发动机补偿电缆和电子控制器(包含冷端补偿电路、信号采样电路和软件处理算法)。涡扇发动机温度采集回路设计表如表 1 所示。涡扇发动机测温 R 型热电偶一般选用 I 级精度偶材，传感器的设计比较成熟，其本身精度可以得到保证。补偿电缆的精度取决于 R 分度补偿电缆的材质，由材料的物理特性决定。因此，提高电子控制器信号采集回52 燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究 第 35 卷 试项目的热电偶测温中，采取模拟集成硬件的解决方案，通过热电偶测量和参考接合点补偿结合在一起的方法提高温度测量精度。虽然热电偶的测温原理清晰，在工程应用中也有一定的研究基础，但是 R 型热电偶在发动机测温中的采集方案、冷端温度选取原则以及温度修正方法，却鲜有公开文献论述。针对这一情况，本文设计了一种涡扇发动机测温 R 型热电偶高精度采集方案，并以热电偶冷端补偿原理为基础，提出一种新型冷端补偿方法，并辅以电子控制器修正计算，以实现R 型热电偶冷端温度的动态补偿，从而获得准确的涡轮后燃气温度。2 热电偶测温原理2.1 热电效应 受热物体中的电子，会随温度梯度从高温区向低温区移动，进而产生电流或电荷堆积，这种现象称为热电效应3。热电偶基于的原理就是热电效应。如图 1 所示，2 种不同的导体或半导体分别为 A 和B，组成 1 个闭合回路。当 A 与 B 相接的 2 个接点的温度 T 和 T0不同时，就会在回路中产生 1 个电势，此闭合回路就是热电偶。当回路的 2 个端点温度不同时，就会产生热电势。图 1 热电偶工作原理Fig.1 Working principle of thermocoupleTABT0mVT0(1)功能域逻辑域物理域涡轮后燃气温度采集热电效应R 型热电偶传感器并联集电环信号传输补偿电缆冷端补偿冷端补偿电路信号处理信号采样电路软件处理软件处理算法表 1 涡扇发动机温度采集回路设计表Table 1 Design table of temperature acquisition circuit for turbofan engine2.2 冷端补偿 实际测量时，温度测量的目的是测得以 0 为基准的热端温度 T，而热电势反映的是热端和冷端的相对电势，因此，只有将冷端置于冰水混合物中，才能使冷端不受外界温度的影响始终保持为 0，此时对应于标准分度表的温度才是热端的实际温度4。但在实际测量过程中，由于冷端处在外界环境中，受环境温度影响很大，保持冷端温度恒定很困难，因此使用热电偶测温的过程中需要冷端补偿。根据中间温度定理可得：路精度对温度信号采集起主要作用。3.2 信号采集原理 多支 R 型热电偶传感器并联后输出 2 组信号接入集电环，每组信号分别进入 1 个电子控制器，电子控制器经过滤波、放大处理后转换成电压信号。控制软件根据标定数据和补偿原理进行温度处理。R 型热电偶信号采集原理见图 2。3.3 冷端补偿设计 根据热电偶温度传感器和电子控制器在发动机上的布局，热电偶的冷端温度传感器一般布局在电子控制器连接插座内部印制板上，电子控制器内部热电偶处理电路应尽可能接近连接插座，使得处理节点的温度与冷端温度传感器测量的温度基本一致。根据中间导体定律8，电子控制器内部处理电路板与接插件针脚连接的导线采用普通铜线。由于不存在 R 型热电偶材质的插针、插孔，且控制器内外存在较大温差，所以不能把 R 型热电偶的冷端直接引入控制器内部，传统的热电偶冷端设计方案不适用于 R 型热电偶。为提高 R 型热电偶采集精度，设计了一种新型冷端补偿方案，见图 3。将电子控制器的插座温度作为 R 型热电偶信号的冷端，同时用 K 型热电偶测量 R 型热电偶信号的冷端温度；K 型热电偶的冷端直接引入控制器内部，同时用PT100 测量 K 型热电偶信号的冷端温度。根据中间温度定律公式，计算 R 型热电偶信号参考端为 0 时的热电势：由于 T1和 T2为同一个插座的温度，温度基本一致，所以认为 T1=T2。根据中间温度定律公式，计算 K 型热电偶信号参考端为 0 时的热电势：第6期 陈鹏飞等：一种涡扇发动机测温R型热电偶高精度采集方案 53再根据 R 型热电偶分度表可以换算出 R 型热电偶测量的真实温度。R 型热电偶信号软件处理方法见图 4，具体为：(1)T1信号以热电偶冷端连接点温度 T0作为冷端，并将 T0按 K 型热电偶分度表转换为电压值；(2)控制器采集到的 T1的电压值(即等效 K 型热电偶热端与冷端间产生的电势差)与之和作为实际的 T1信号的电压值；(3)将通过查找 K 型热电偶分度表电压值与温度的对应关系，最终得到温度值 T1(T2)；(4)将通过查找 R 型热电偶分度表温度值与电压对应关系，(5)根据控制器采集到的 T3电压值，得到 T3端与 T2端的电压值；(6)将与之和作为实际的 T3信号的电压值；(7)将通过查找 R 型热电偶分度表电压值与T3温度的对应关系，最终得到实际温度 T3。3.4 热电偶分度表的选取 根据图 4 中原理，控制软件需完成冷端温度计(2)(3)图 3 R 型热电偶冷端补偿方案示意图Fig.3 Schematic diagram of R-type thermocouple cold end compensation schemeR 型热电偶R 型热电偶补偿导线等效 K 型热电偶（K 型热电偶补偿针短接）插座普通插针电子控制器PT100T3T2T1T0发动机图 2 R 型热电偶信号采集原理图Fig.2 Schematic diagram of R-type thermocouple signal acquisitionR 型热电偶传感器-1R 型热电偶传感器-nA 通道补偿电缆 A电子控制器-A电子控制器-B滤波、放大AD 转换AD 转换滤波、放大软件计算软件计算滤波、放大滤波、放大补偿电缆 B集电环冷端温度插头A插头B冷端温度A 通道B 通道B 通道 根据K型热电偶分度表换算出T1，代入公式(2)，54 燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究 第 35 卷 算、热电势计算、冷端温度补偿、由分度表查询温度值等功能9。控制软件一般根据写入的热电偶分度表，用线性插值法得出相应的电压值(mV)和温度值10，因此，热电偶分度表的选取尤为关键。为了提高控制软件的插值运算效率，减少软件运行耗时，写入控制软件的热电偶分度表数组长度一般设置为 16 位。根据电子控制器运行场景分析，外部环境温度范围在-60 220，因此 K 型热电偶分度表的最大温度选取 240。根据 K 型热电偶分度表11，分别以 5、10、20 为间隔选取插值表，绘图结果见图 5。可看出，3 条线基本重合，可以选择20 为间隔插值表。在0240 工作温度范围内，对 K 型热电偶分度表进行线性拟合，R2=1.0，线性拟合程度高，在一定工作温度范围内线性插值表可以代替分度表。写入控制软件的 K 型热电偶分度表见表 2。图 5 K 型热电偶不同温度间隔分度表绘图结果Fig.5 Drawing results of K-type thermocouple graduation table with different temperature intervals-100 -50 50 100 150 200 250 300电压/mV温度/5间隔分度表10间隔分度表20间隔分度表11109876543210-1-2-3图 4 R 型热电偶冷端补偿软件处理算法Fig.4 Software processing algorithm of R-type thermocouple cold end compensation温度T0采集电压值(V)，根据标定关系，转换为温度温度转换为K型热电偶对应电压值(mV)按 K 分度表将电压值(mV)转换为温度T1(T2)温度值T2转换为R分度表对应的电压值(mV)按R分度表将电压值(mV)转换为温度EAB(T1,T0)采集的电压值(V)，根据标定关系，转换为输入端电压值(mV)EAB(T3,T2)采集的电压值(V)，根据标定关系，转换为输入端电压值(mV)根据涡扇发动机测温要求，R 型热电偶分度表的最大温度选取 1 500。由于 R 型热电偶分度表在低温段线性度较差，因此分 3 个温度区间选值，分别是-50200、200600、6001 500。在-50 200 温度区间，根据 R 型热电偶分度表8，分别以 5、50、100 为间隔选取插值表，绘图结果见图 6。可看出，5、50 间隔插值表 2 条线基本重合，可以选择 50 为间隔的插值表。分别在050、50100、100150、150 200 工作温度范围内，对 R 型热电偶分度表进行线性拟合，R2分别等于0.998 5、0.999 7、0.999 8、0.999 9，线性拟合程度高，在一定工作温度范围内线性插值表可以代替分度表。因此，在-50 200 温度区间内，选择 50 为间隔的插值表。在 200 600 温度区间，根据 R 型热电偶分度表，分别以5、50、100 为间隔选取插值表，绘图结果见图 7。可看出，3 条线基本重合，可以选择100 为间隔的插值表。分别在200300、300 400、400 500、500 600 工作温度范围内，对 R 型热电偶分度表进行线性拟合，R2分别等于 0.999 8、0.999 9、1.0、1.0，线性拟合序号温度/电压/mV1-60-2.2412003200.7984401.6125602.4366803.26771004.09681204.92091405.735101606.540111807.340122008.138132208.940142409.747表 2 K 型热电偶分度表选取结果Table 2 Selection results of K-type thermocouple graduation table图 8 R 型热电偶(600 1 500 )不同温度间隔分度表绘图结果Fig.8 Drawing results of R-type thermocouple(600 1 500 )graduation table with different temperature intervals第 6 期 陈鹏飞等：一种涡扇发动机测温 R 型热电偶高精度采集方案 55值表可以代替分度表。因此，在 600 1 500 温度区间内，选择 200 为间隔的插值表。根据上述结果分析，R 型热电偶分度表的选取见表 3。假设采用冷端补偿后的 R 型热电偶的热电势为13.437 mV，根据表 3 中(1 200，13.228 mV)和(1 400，16.040 mV)两点进行线性插值，计算得到温度值为 1 214.86。查表可得，13.437 mV 对应的温度值为 1 215.00，查表值与分段线性插值计算值相差 0.14。可见，通过分段线性插值达到了简化查表的目的，也保证了精度要求。表 3 R 型热电偶分度表选取结果Table3 Selection results of R-type thermocouple graduation table序号温度/电压/mV1-50-0.2262003500.29641000.64751501.04162001.46973002.40184003.40895004.471106005.583118007.950121 00010.506131 20013.228141 40016.040151 50017.4510 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600电压/mV温度/5间隔分度表50间隔分度表100间隔分度表200间隔分度表20181614121086420图 6 R 型热电偶(-50 200 )不同温度间隔分度表绘图结果Fig.6 Drawing results of R-type thermocouple(-50 200 )graduation table with different temperature intervals-100 -50 50 100 150 200 250 电压/mV温度/5间隔分度表50间隔分度表100间隔分度表1.61.41.21.00.80.60.40.20-0.2-0.4程度高，在一定工作温度范围内线性插值表可以代替分度表。因此，在 200 600 温度区间内，选择 100 为间隔的插值表。在 600 1 500 温度区间，根据 R 型热电偶分度表，分别以 5、50、100、200 为间隔选取插值表，绘图结果见图 8。可以看出，4条线基本重合，可以选择200 为间隔的插值表。分别在 600 800、800 1 000、1 000 1 200、1 200 1 400、1 400 1 500 工作温度范围内，对 R 型热电偶分度表进行线性拟合，R2分别等于 0.999 9、0.999 9、1.0，1.0，1.0，线性拟合程度高，在一定工作温度范围内线性插图 7 R 型热电偶(200 600 )不同温度间隔分度表绘图结果Fig.7 Drawing results of R-type thermocouple(200 600 )graduation table with different temperature intervals0 100 200 300 400 500 600 700电压/mV温度/5间隔分度表50间隔分度表100间隔分度表6543210表 4 采集精度验证结果Table 4 Acquisition accuracy verification results序号标准温度/采集温度/误差/10-0.2380.2382100100.8560.8563200200.9260.9264300300.8070.8075400400.6860.6866500500.5610.5617600600.4760.4768700700.3740.3749800799.3380.66210900900.2030.203111 0001 000.5950.595121 1001 099.9940.006131 2001 199.1450.855141 3001 299.8320.168151 4001 399.7120.28856 燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究 第 35 卷 4 验证 用 FLUKE 多功能检验仪进行电子控制器 R 型热电偶采集信号的精度检查。FLUKE 多功能检验仪选择 R 型热电偶输出特性，冷端补偿温度为电子控制器 R 型热电偶传感器信号采集的插座端温度。电子控制器在常温环境下，通过设置不同的温度，检查电子控制器温度信号采集情况。验证结果见表4，可见信号采集最大误差为 1 以内，满足设计要求。5 结论 针对涡扇发动机测温 R 型热电偶设计了一种高精度采集方案，提出了一种分段冷端补偿方案，同时通过合理选取热电偶分度表写入控制软件。利用标准信号源进行检查验证，信号采集误差满足设计要求。目前，此方案已经应用于发动机台架试车，效果良好。参考文献：1 23456 7891011张海涛，罗 珊，郭 涛.热电偶冷端补偿改进研究J.仪表技术与传感器，2011，(7)：1114.阳 露.某型飞机发动机热电偶温度测量方法的研究J.教练机，2011，(2)：4649.李盼菲，贾 芸.热电偶温度测试技术原理及应用分析 J.电子测试，2020，(13)：5657.赵 标，佘 俊.热电偶测温及冷端补偿研究与实现 J.上海船舶运输科学研究所学报，2013，36(1)：5053.朱桐斌，王 洁.涡轴发动机涡轮测温热电偶的冷端动态补偿方法 J.航空动力，2019，(6)：5052.胡春红，赫 君，李 雷.热电偶冷端温度补偿方法研究 J.科学之友，2011，(18)：5152.王耀国，吴晓男，于进勇.热电偶测量飞机发动机喷气温度的误差分析及修正方法 J.仪表技术，2011，(1)：2527.刘祖应.热电偶测温原理中的基本定律J.化工时刊，2001，(4)：4647.刘希民.热电偶线性温度测量装置J.仪器仪表学报，2007，28(4)：5359.曾小信，邱立运.热电偶测温采集精度的影响因素及优化方法 J.仪器仪表装置，2016，(9)：3740.GB/T 16839.1-2018，热电偶第 1 部分：电动势规范和允差 S.12131415童凯生.航空涡轮发动机性能变比热计算方法 M.北京：航空工业出版社，1991.廉筱纯，吴 虎.航空发动机原理 M.西安：西北工业大学出版社，2005.贾琳渊，程荣辉，张志舒，等.研发阶段涡扇发动机模型自适应方法 J.推进技术，2020，41(9)：19351945.Walsh P P，Paul F P.Gas turbine performanceM.2nd ed.USA：American Society of Mechanical Engineers，2004.16171819 高 扬，刘旭东，屈霁云，等.涡轮导向器喉道燃气流量计算及参数敏感性分析 J.燃气涡轮试验与研究，2012，25(2)：3742.张宝诚.航空发动机试验和测试技术 M.北京：北京航空航天大学出版社，2005.盛 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