姜世界 肖剑松 周峰
中国航发湖南动力机械研究所 湖南株洲 412002
摘要：本文主要介绍了温度测试中常见的故障，分析故障产生的原因，以及如何排除故障。
关键词：温度测试 热电偶 热电阻 故障分析 故障处理
Common Fault Analysis and Handling
of Temperature Test in Testbed
Jiang ShiJie Xiao JianSong Zhou Feng
（AECC HUNAN AVIATION POWERPLANT RESEARCH INSTITUTE， Zhuzhou ，China 412002）
Abstract：This paper mainly introduced common faults found in temperature measurement, discussed the causes and how to eliminate it.
Key words：temperature measurement；thermocouple；thermal resistance；fault analysis；fault handling
温度是表征物体冷热程度的物理量，是发动机测试中最重要的参数之一。
再好的设计最终都要通过试验来验证，测试结果的精度和可靠性将直接影响试验的结果的可信度，更是直接关系着航空发动机的性能和安全。当温度测试系统出现故障时将直接影响发动机的试验进度，影响型号研制，所以能准确找到温度故障产生的原因和及时排除故障十分重要。
1 温度测试原理
常规的试车台温度测量系统如图1所示，由温度传感器、等温参考、VXI数采系统或者温度模块、计算机、超温报警仪表组成。温度传感器主要采用热电偶和热电阻两种感受器，用于温度信号的获取和传输。等温参考是对热电偶测量信号进行冷端补偿，等温参考里面是一个等温区，有一个精密的铂电阻测等温区的温度。温度测量模块是一种16通道数据采集装置，使用以太网TCP/IP或UDP接口，与数据采集系统计算机链接。超温报警仪表是独立的一套温度测量线路，用于车台的超温保护。
图1温度测试系统结构简图
1.1热电偶测温
现在大部分车台的热电偶测温采用的都是等温板加VXI测量方式，或者用温度模块。
热电偶输出经过补偿导线连接到等温板，等温板通过信号线连接到VXI数据采集系统。
热电偶的测温的基本原理是热电效应，即两种不同的导体或半导体A和B结合成回路，当两个结合点的温度不同时，会在回路内产生热电势EAB(t, t0)。
国际使用温标IPTS-68规定热电偶的温度测量值为摄氏温度t(℃)，参比温度定为0℃。分度表是以t=0℃为参考温度点的。根据中间温度定律，参考端温度t0不等于０℃时，只需要叠加一个温度t0时该热电偶对应的热电势EAB(t0,0)（冷端补偿热电势），就可以用对应的分度表查出测量端的温度t。即
（1）
1.2铂电阻测温
铂电阻是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。具有准确度高、输出信号大、灵敏度高、稳定性好的特点。
铂的电阻-温度关系在0～650℃范围内可表示为：
（2）
在-200～0℃范围内则为：
（3）
式中和分别为铂热电阻在℃和0℃时的电阻值；A、B、C为分度系数，由实验确定。
车台用的铂电阻测温主要用在进气温度测量、环境温度测量等高精度低温测量的场合。
现在的车台用的大多都是四线制的带保护壳的PT100热电阻，测试原理图如图2所示。
图2 热电阻的原理图
热电阻输出有四根导线，两根红色的正极和两根白的负极。一路信号线接数采提供的恒流源，一路信号线用来测量电压。数采恒流源提供的电流已知。根据公式
（4）
只要测出热电阻的输出电压就可以得到热电阻的电阻值，进而得到热电阻的测量温度。
2故障分析处理
温度测试故障按产生故障的环节可以分为传感器故障、线路故障、仪器仪表故障和干扰故障。
2.1 传感器故障
常规试验中要用到的最多的传感器就是热电阻和热电偶，所以主要分析这两种故障的产生原因和处理方法。
1） 热电偶故障
热电偶主要可能产生的故障有传感器断路、短路和绝缘性不达标。
如果在试验中发现温度有突变的情况，忽高忽低或者数采显示为0，这个时候很可能是热电偶的断路。这时候就可以断开后面的测试线路，用万用表量热电偶的输出电阻，如果电阻大于100Ω就可以断定是热电偶断路。如果在热电偶的头部裸露部分断开，可以拆下送工厂维修，否则需要更换热电偶。
如果试验开始时温度显示正常，试验过程中温度值比较稳定但是温度明显偏低。用万用表测量输出端电阻没有异常，在正常值2～10Ω左右，测试线路的电阻值大于100Ω，就可以断定是热电偶的短路。最常见的短路部位是热电偶的尾部转接段，这时需要更换热电偶。
在试验过程中发现温度值偏低还有一种可能就是绝缘电阻不符合要求，绝缘电阻偏小的原因有可能是探针受潮或者是探针偶丝的绝缘层损坏。正常探针的绝缘电阻应该大于5MΩ。断开测试线路，如果用兆欧表测量热电偶的偶丝和外壳之间的电阻值，若是低于5MΩ，就说明绝缘电阻不符合要求。如果是探针受潮可以把探针拿到烘干箱烘干后继续使用，如果是绝缘层损坏就需要更换热电偶。
2） 热电阻故障
因为带有保护壳，所以热电阻一般不容易出现故障。可能存在的问题就是断路、短路和电阻值发生偏移变化。
如果发现热电阻测温异常，最常用的办法是断开测试线路，测量接线柱的电阻值。总共有四根接线柱，两根白色的为负极，两根红色为正极。同极之间为通路，在室温下任何一组正负极之间的电阻值应该在100Ω~120Ω之间，否则此PT100热电阻有问题。
强烈的震动、感温元件的变形、淬火等外力的作用会导致电阻值增加，产生测量误差。这个问题尤其要注意，因为偏差不大的时候很难发现，只有在每年校准的时候才会知道。而且一般用热电阻测温的地方都是对精度要求较高的地方，产生误差会对测量结果产生很大影响。
2.2 测试线路故障
在车台试验中，测试线路故障分为测试线路连接故障和线路本体故障。
1)测试线路连接故障
测试线路连接故障包括补偿导线与热电偶极性接反、补偿导线与信号线极性接反、补偿导线与热电偶不匹配、测试线路与传感器连接处接触不良等。
补偿导线与热电偶极性接反或者补偿导线与信号线极性接反时，在试验开始前没有任何异常。当试验开始后，此点的温度变化趋势会和其他测点的温度变化趋势相反。如果出现这种情况就可以判断故障的原因了，找出接反的地方重新接线即可。
补偿导线与热电偶不匹配时，在转接端会产生附加电势，影响测量结果。如果补偿导线输出的温差电势比所连接的热电偶大，则测量结果会偏高，反之偏低。由于补偿导线与热电偶的转接端通常处于常温下，两者之间产生的附加电势比较小，与正常测量值的偏差不明显。因此在试验前需要对热电偶和补偿导线的匹配情况进行检查，杜绝此类故障。
测试线路转接时非常容易发生接触不良的现象，产生这种现象的原因很多，接头氧化、振动脱落、转接插头插座内线头未拧紧等。该故障反应在数采或仪表显示端就是该测点无规则跳动，时有时无。出现这种现象应该检查转接头，重新连接或更换转接件。
2) 测试线路本体故障
测试线路的本体故障主要包括测试线路的断路和短路问题。
因为补偿导线要经常扯动，所以就更容易出问题。线路断路和短路的现象和热电偶断路和短路的现象一样，只是检查方法不同。检查是否断路方法是断开热电偶，在数采端将此通道的正负极短接，在转接插头处测量线路的电阻，若为无穷大则说明线路断路。检查是否短路方法是断开热电偶，在转接插头处测量线路的电阻，若电阻小于1000Ω则说明线路短路。
2.3 仪器仪表故障
仪器仪表的故障可以分为设备的本体故障和设备的操作故障两大类。
1) 设备本体故障
热电阻测温中，四线制的测温方法需要数采系统提供一个488uA恒流源，当恒流源发生故障时输出的电流并不是488uA，按照公式算出的电阻就不是实际的电阻值，导致测温不准确。
但是如果恒流源的电流虽然不是488uA，但是电流值恒定，就可以用校准源测出电流值，然后再修改数采程序中使用的电流值使结果准确。
2) 设备操作故障
设备的操作故障主要是数采系统的设置问题。数采系统如果设置不对将直接影响测量结果的真实性。对于热电偶测温，数采设置主要分为以下三种故障。
1)数采通道号设置有误
试验开始前一定要认真检查每个测点的通道号设置是否正确。如果通道号设置错误，显示结果完全不对。
2)数采通道分度设置有误
现在试验台中所用的热电偶大多为K、E和T三种分度。在试验开始前一定要明确所用的热电偶的分度。当分度设置不对时，试验开始前没有任何异常，但是试验过程中所测的温度是不对的，而且不容易发现。
3)数采通道量程设置有误
在试验开始前要知道此通道测量处温度可能的极限值，然后根据相应的分度算出热电偶输出的最大电压值。量程选择要大于最大值的1.2倍。量程选择太大会导致测温波动，无法显示实际的温度值；量程选择太小，当温度超过设定的量程以后，温度值会限制在量程内，导致测温错误。
2.4 干扰故障
干扰产生的原因是多方面的，其表现方式也变化多端，但是基本上可以归为常模干扰和共模干扰两大类。在试验台上，这两种干扰都是存在的。
建台时若信号线与电力电缆线布在同一个槽架内，交流电很容易通过电容或者电感耦合到信号通道中。交流动力线的电磁场能使相当远的线路中感应出显著电动势。试验台的电源变压器、电机和继电器工作时都会产生电磁场，会产生较大的电磁辐射干扰。这些都是常模干扰。
由于试验现场各种测试设备、控制设备在不同的地方接地，在地线之间容易形成回路，产生共模干扰。
处理这两类电磁干扰，一般的手段有：屏蔽、接地、滤波和隔离。
1) 屏蔽
屏蔽对电磁干扰具有很好的抑制作用。屏蔽主要分为两种情况，一种是传播导线的屏蔽，一种是测试设备的屏蔽。现在用的测试线路都是带有屏蔽层的信号线，在某些必须要和强电一起布线的场合，再在信号线外面套一层金属套管，能起到更好的屏蔽作用。测试设备的屏蔽就是在测试设备外加金属外壳来屏蔽干扰。
2) 接地
接地是一种很好处理干扰的手段。信号线的屏蔽层和仪器仪表需要可靠的接地，而且只能单点接地，多点接地会造成参考地端电位不同而引入共模干扰。不能和试验台的强电设备共用一个地，要测试设备独立接地。信号线的屏蔽层的单点接地可以通过减小静电耦合和抑制电势差来抑制干扰。抑制交流干扰的主要措施是采用“浮地”技术，即将交流地和直流地线分开，并且交流地线接大地，而直流地线对大地是“浮空”的。这样做可以避免交流电源干扰由公共线串入电路而引入干扰。
3) 滤波
滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波能很好解决传导干扰。在车台试验中，主要有两种滤波方式：程序滤波和物理滤波。由于热电偶和热电阻的输出信号近似于直流信号，所以采用加装电容的物理滤波方法一般就能很好的解决干扰问题，但是要考虑电容大小应对时间常数的影响。
4) 隔离
隔离能很好的解决传导干扰和共模干扰，隔离效果比较好的隔离器主要是光电隔离。光电隔离能将热电偶输出的电压信号与后面的测试设备、电源和地完全实现电气隔离，可以实现多个测试设备同时测量同一个热电偶相互之间没有影响。隔离能很好的抑制干扰并消除噪音，可以有效的阻断电路或系统之间的电联系，但不影响他们之间的信号传递。
3 结论
（1）车台试验中发生故障的随机性很大，这就需要熟练掌握整个测试系统的各个环节，排故时依次认真检查每个环节，直至找出故障原因，并解决；
（2）对试车台的日常维护要认真细致，减少故障发生的概率，增加测试系统的可靠性；
（3）插头插座连接处更容易出现接触不良和接线座松动的问题，在日常维护和使用中要格外注意；
（4）干扰的问题不容易查找原因，往往需要尝试几种方法或者几种方法相互配合才能解决干扰问题；
（5）新试验台的建设要严格按照标准施工，采用合理的工艺方法和手段，减少故障发生的可能性。
参考文献：
[1] 徐峰.温度测量，608研究所，1992，10.
[2] 喻秉文.热电偶\铂热电阻应用手册，重庆仪表材料研究所，1996.
[3] 西北工业大学.航空发动机气动参数测量，国防工业出版社，1980，12.
[4] 张克.温度测控技术及应用，中国质检出版社, 2011，11.
[5] 王魁汉.温度测量实用技术，机械工业出版社，2006，12.
[6] 吴伟力.测试技术，608研究所，2016，10.
论文作者:姜世界,肖剑松,周峰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/18
标签：热电偶论文; 温度论文; 故障论文; 测温论文; 热电阻论文; 测试论文; 测量论文; 《防护工程》2018年第13期论文;