航空發動機熱電阻測溫誤差分析

左澤敏 段小維 王　歡

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航空發動機熱電阻測溫誤差分析

左澤敏 段小維 王歡

溫度參數測量精度在被試航空發動機試驗中要求越來越高，熱電阻測溫是航空發動機飛行試驗中使用較多的測量溫度方式。本文首先介紹了影響熱電阻測溫的基本原理，其次分析了影響熱電阻測溫精度幾點要素——接線方式、響應延遲、自身過電發熱等，最后，總結如何避免這些因素影響的措施，提高熱電阻測量精度。

航空發動機是工作在極其惡劣的高溫高壓環境中，而溫度參數是被試航空發動機飛行試驗和地面臺架試驗中特別重要的參數。相關溫度參數直接參與被試發動機的控制系統，準確的測量這些溫度可以保證航空發動機的安全以及在飛行試驗中相關性能、加減速特性等一系列課目的計算準確性。

目前在實際航空發動機試驗中，應該最廣的采用熱電阻、熱電偶兩種材料的溫度傳感器對溫度參數進行測量，熱電阻傳感器一般用于溫度范圍在-50℃～400℃，一般用于測量被試航空發動機滑油、燃油溫度、及相關環境溫度等參數；而熱電偶在低溫范圍測量有著相對較大的誤差，但其可以測量400℃以上的溫度范圍，用于測量的航空發動機流道各截面氣體溫度。本文介紹了熱電阻測量溫度的基本工作原理，并分析了一般熱電阻的材料特性，及在航空發動機試驗中應該廣泛的pt100型熱電阻傳感器的誤差，并對熱電阻在測溫的接線的幾種方式以及影響精度的相關因素進行了分析，并對熱電阻在航空發動機試驗中的應用注意進行總結。

基本原理

熱電阻測量溫試的工作原理是根據電阻的熱效應進行溫度測量的，金屬熱電阻的電阻值與感受到的溫度的關系，可以采用式1進行表示。

Rt=Rt0（1 +α（t - t0 ）） （1）

其中Rt為被測溫度t時的阻值；Rt0為被測溫度t0 （通常t0 = 0 ℃） 時對應電阻值；α為材料的溫度系數。半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系可以用式（2）進行表示。

Rt = AeB/t （2）

其中Rt為被測溫度為t時的阻值；A、B 為半導體熱敏電阻材料結構的常數。因此可以根據金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量工作。熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度較高，而且穩定性較好，廣泛應用在工業溫度測量中，且用于相關的標準溫度測量儀器中。

可以用于設計熱電阻傳感器的材料有很多種，如圖2所示，根據測溫的范圍大小不同，分別描述了鉑、銅、鎢、熱敏電阻的電阻溫度關系曲線，從圖中可以看出，鉑測量的溫度范圍較寬、線性好，穩定性較好，銅比鉑測量溫度范圍要小的多；鎢在300℃以上，顯示出明顯非線性的特征，可測量的范圍更低，熱敏電阻在300℃以上，具有較好的線性。

目前，航空發動機熱電阻測溫的傳感器中，選用較多的是鉑電阻材料的Pt100的熱電阻傳感器。根據GJB 2716～1996提供的鉑電阻PT100的分度表，可以得到-50℃～650℃溫度范圍之間，每10℃之間的電阻的差值，如圖2所示，可以看出，-50℃～650℃之間，電阻差值均在3～4Ω之間，其電阻值相差不到1Ω，若采用多點線性校準，校準誤差極大值為不大于2.8℃，其誤差值小且相較于其材料型號的溫試傳感器，測量溫試范圍寬，誤差小是其在航空發動機試驗中廣泛應用的基礎。

圖2　不同材料熱阻效應

熱電阻誤差影響分析

接線方式

航空發動機測試系統中，所有的采集板卡最終感受到的電信號均電壓值，因此，熱電阻測量溫度時，通常需要因溫度變化引起的電阻的變化轉換為電壓值的變化，采集板卡設計時輸出一路恒定的電流源和一路電壓信號測量通道，通過轉接插頭引線接至電偶阻傳感器，傳感器的接線如圖1所示。可以看出，熱電阻的采集接線方式有熱電阻兩端接入單線方式（二線制）；一端二根線，一端單線方線（三線制）；兩端均為雙線方式（四線制）。其優缺點如下。

（1） 二線制引線方法較為簡單，即采用圖1中實線連接方式，兩端的連接導線的線電阻通過電流量會產生一定的電壓值誤差，因此，誤差值為測量端電壓的大小與實際熱電阻兩端電壓的差值， 其導線電阻的大小決定了誤差大小，由于接線的導線電阻的大小與其材質和長度因素有關，因此這種二線制勢接線方式僅適用于測量精度不高、布線走線困難的場合。。

圖3　10℃溫度（-50～ 650℃）遞增PT100電阻差值曲線

圖1　熱電阻接線方式

（2） 三線制通常與電橋配套使用，當橋臂測量端達到平衡時，可獲完全消除引線電阻的影響，但熱電阻傳感器通過感受被測溫度的變化從而發生阻值變化，電橋一般處于不平衡狀態，這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋，其引線電阻引起的測量誤差并不能完全被消除掉，采用三線制已經能大大減少了引線電阻的誤差影響，目前，工業上一般都采用三線制接法，針對三線制熱電阻已能做到高精度的測量，但需在電路上進行設計補償。

（3）四線制中采用兩根引線為熱電阻提供恒定電流 ，把電阻值轉換成相應的電壓信號 ，再通過另兩根引線把被測的電壓值引入二次儀表，所得到的電壓值即為熱電阻兩端的電壓的真實值，這種引線方式完全的消除因引線產生的電阻影響，可用于高精度的溫度測量場合。

因此，航空發動機的相關熱電阻溫度測量中，影響被試發動機運轉安全，參考航空發動機控制等參數盡可能采用精度最高的四線制接線方式，而對于存在后期線路改裝過程中，線路資源緊張，布線困難等溫度參數，可以采用精度相對較低的二線制或三線制，其可以通過測量線阻大小或在板卡信號端傳感器輸出端加載標準電阻值進行校準，可以相應的減小因引線方式的線阻誤差。

響應延遲

熱電阻測量元件，一般采用鋼質材料對傳感器進行封裝，封裝后的成品傳感器，在測量時，首先封裝的殼體受到加熱，并將熱量傳遞到中間的熱電阻部分，從而實現環境溫度的測量。因此，由于傳感器封裝材料以及熱電阻材料的存在的熱容性，在變化的溫度場內，受感器達到所測實際環境溫度，必定存在時間延遲。時間延遲的大小與所選傳感器封裝材料、熱電阻材料、傳感器的外形和溫度變化的范圍相關。

文獻一文討論了不同的熱電阻溫度傳感器在階躍溫升環境情況下的響應情況下，選用的熱電阻傳感器通常需幾分鐘時間才能達到與環境一致的溫度。文獻通過對未經封裝的快速響應熱敏電阻進行測溫的時間延遲進行相關試驗，延遲時間達到了0.3s，在實際使用中，經封裝的傳感器，延遲還會增加。延遲時間的長短與封裝結構和材料相關，結構厚重，熱容性大，其溫度上升或下降則較慢。

在發動機的熱電阻溫度測量應用中，考慮被測環境的特殊復雜性，尤其需考慮產品質量的安全性，可靠性，必須對熱電阻傳感器進行可靠封裝，但在測量溫度信號時應考慮封裝及熱電阻本身對溫度信號滯后性，特別在溫度突升的情況下。

自身過電發熱

熱電阻在實際使用中，采用恒定的電流接入，因此當電流通過熱電阻時會致其本身發熱，阻值越大發熱越嚴重，使其阻值變大。在測量一個恒溫環境，由于自身通電的發熱，其測得的溫度值要大于環境值，因此，在實際使用中，應選擇合適的通過電流大小，阻值相關文獻指出，其電流應不大于6mA。且選用的熱電阻傳感器時，即要保證采集板卡能夠對感受到的電壓的精度測量，同時兼顧其過電發熱影響，阻值不宜太大。

結語

經以上對熱電阻測量溫度的影響因素分析，在被試航空發動機試驗中實際應用中，應該考慮以下幾點：

1）測試之前應該盡可能了解被測對象的溫度范圍，選用合適材料的熱電阻溫度傳感器，避免在其非線性區域進行測試；

2）選用四線制接法可以完全消除引線電阻對測量溫度的影響，在不得不使用二線制或三線制時，應該對引線的線阻誤差進行校準消除，使得誤差最小；

3）溫度瞬變較大的環境中，應該考慮熱電阻傳感器測量溫度的滯后性，選用傳感器時，應該在結構安全可靠的情況下，選擇封裝結構小，易受環境加熱的傳感器，若條件允許，應該進行測量溫度的滯后性試驗，得到動態響應特性；

4）采集器的供電應該可能的小，避免其熱電阻自身發熱帶來的誤差影響。

左澤敏 段小維 王 歡

中國飛行試驗研究院發動機所

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.009