（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安 710089）

0.引言

溫度參數(shù)在航空領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用和起著重要作用，為保證在飛行試驗(yàn)中使用航空用熱電偶測(cè)溫時(shí)得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、量值可靠，不僅要對(duì)這些航空用熱電偶進(jìn)行周期或不定期的校檢，還要在校檢過程中充分對(duì)各種影響因素進(jìn)行考慮與分析，盡量地減小與消除影響。結(jié)合我院工作情況分析，本文在熱電偶校檢爐溫場(chǎng)均勻性影響已考慮的前提下，探討了熱電偶校檢時(shí)冷端補(bǔ)償影響因素的減小或消除。

1.冷端補(bǔ)償方案分析與選擇

目前常用的熱電偶冷端補(bǔ)償方案大致有9種，根據(jù)航空用熱電偶的特點(diǎn)和使用要求，一般選取冰點(diǎn)法和熱電阻測(cè)冷端溫度法這2種冷端補(bǔ)償方式。這2種方法都有補(bǔ)償準(zhǔn)確度高、使用較為簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境而言，相對(duì)其他辦法而言都十分容易克服。對(duì)這2種冷端補(bǔ)償方法而言，從理論上來說，用冰點(diǎn)法的補(bǔ)償效果準(zhǔn)確度更高，因?yàn)樵谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰與水的平衡溫度為0℃，雖然在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室校檢過程中，實(shí)驗(yàn)室用清潔的冰水混合物放在保溫瓶?jī)?nèi)達(dá)到的熱平衡溫度會(huì)比0℃略低，大約為-0.04℃左右，按照不確定度評(píng)定中的方法可計(jì)算出此誤差引入的不確定度值約為0.02℃，大約占航空用熱電偶自動(dòng)校檢系統(tǒng)總的擴(kuò)展不確定度的1/60，故此誤差影響極小，對(duì)熱電偶測(cè)溫產(chǎn)生的影響可以忽略。但在實(shí)際工作中，因?yàn)楸c(diǎn)法需要每次校檢前制作冰水混合物，且對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境要求相對(duì)較高，所以熱電阻測(cè)冷端溫度法由于使用方便且可以實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。下面將以熱電阻測(cè)冷端溫度法為分析對(duì)象，討論其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)校檢結(jié)果的影響是否能夠消除或減小。

2.冷端補(bǔ)償影響因素的減小或消除

實(shí)驗(yàn)室選取的冷端補(bǔ)償熱電阻為一只A級(jí)的Pt100鉑熱電阻，測(cè)溫范圍為0℃～200℃， 探頭尺寸為φ4×30mm，探頭材質(zhì)為無縫304不銹鋼。

根據(jù)鉑熱電阻的允許偏差，A級(jí)Pt100鉑熱電阻在補(bǔ)償熱電偶校檢過程冷端溫度時(shí)，其引入的測(cè)量誤差最大值為±(0.15+0.002|t|)℃，與被校檢熱電偶冷端溫度正相關(guān)，與冷端距校檢爐位置負(fù)相關(guān)，即若被校檢航空用熱電偶冷端被延長(zhǎng)后離熱電偶校檢爐的爐口越近，其溫度可能受校檢過程中加熱時(shí)校檢爐逸散出的溫度影響越大，鉑熱電阻在進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)引入的測(cè)量誤差越大；反之，冷端溫度越接近室溫，進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)鉑熱電阻引入的測(cè)量誤差越趨于定值（室溫恒定控制在(20±5)℃內(nèi)）。此外，在用鉑熱電阻測(cè)溫法進(jìn)行熱電偶校檢冷端溫度補(bǔ)償時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生誤差的影響因素還有鉑熱電阻放置位置與被校檢熱電偶冷端位置的偏離程度和室溫發(fā)生波動(dòng)時(shí)測(cè)量產(chǎn)生的誤差影響這2種。簡(jiǎn)單分析可知，這3種會(huì)對(duì)冷端補(bǔ)償方法造成誤差的影響因素前兩種都是因?yàn)槔涠藴囟葴y(cè)量不準(zhǔn)確造成的，屬于可以減小的影響因素。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際工作情況，對(duì)前2種影響因素提出簡(jiǎn)單的解決方案如：綜合考慮被校檢航空用熱電偶冷端延長(zhǎng)的成本與熱電偶校檢爐對(duì)校檢所在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的影響大小，且實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地大小固定，可以在熱電偶校檢的冷端引入恒溫塊（或恒溫箱），將熱電偶與冷端補(bǔ)償用的鉑熱電阻一起放置在恒溫塊的孔槽中，因?yàn)楹銣貕K的特性，可以使此時(shí)冷端溫度不會(huì)受外界環(huán)境溫度波動(dòng)或者熱電偶校檢爐逸散溫度的影響，或者溫度變化非常緩慢，與每次測(cè)溫補(bǔ)償冷端溫度的采集用時(shí)相比，近似為恒定值。引入恒溫塊（或恒溫箱）的方法在一定程度上可以改善室溫波動(dòng)引入的誤差，但無法對(duì)熱電阻補(bǔ)償方法的測(cè)量電路因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的誤差進(jìn)行改善，針對(duì)這一情況，分析熱電阻測(cè)溫電路和誤差來源，提出改善方法：引入兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償電阻。

在本系統(tǒng)的冷端補(bǔ)償部分鉑熱電阻測(cè)溫的工作原理是系統(tǒng)提供恒流源，對(duì)鉑熱電阻Rt提供恒定電流I，直接測(cè)量熱電阻兩端產(chǎn)生的電壓值U，將其轉(zhuǎn)換后傳給計(jì)算機(jī)計(jì)算出Rt，然后根據(jù)Rt=R0(1+At+Bt2)計(jì)算出溫度值t。其中Pt100鉑熱電阻的R0=100Ω，A=3.9083×10-3℃-1，B=-5.7750×10-7℃-2。在此過程中，t經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)為：

其中Vm代表數(shù)字多用表內(nèi)放大器失調(diào)電壓，N為放大電路放大倍數(shù)，Vs為數(shù)字多用表A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓，Df為滿量程數(shù)字量。從式（1）可以看出，與計(jì)算Rt時(shí)使用的數(shù)字量D相關(guān)的5個(gè)參數(shù)除I恒定外，都可受環(huán)境溫度變化影響。

根據(jù)鉑熱電阻溫度與阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系，在電路中接入兩個(gè)準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí)，溫度漂移1ppm的標(biāo)準(zhǔn)電阻，測(cè)溫如圖1所示，其中R100=100Ω，R138.5=138.5Ω，用來對(duì)應(yīng)t100=0℃，t138.5=100℃，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為D0和D100且D100=Df，通過系統(tǒng)的低熱電勢(shì)掃描開關(guān)對(duì)電路進(jìn)行切換，控制數(shù)字多用表的輸出數(shù)字量來源。則有：

圖1 接入標(biāo)準(zhǔn)電阻的冷端補(bǔ)償熱電阻測(cè)溫框圖

據(jù)此，如果采樣周期足夠短，可以認(rèn)為在式（1）、（3）和（4）中5個(gè)參數(shù)相等，則式（2）可整理為：

因?yàn)镽t只與冷端溫度有關(guān)，所以探討環(huán)境溫度影響時(shí)其可看成常數(shù)，對(duì)式（5）微分并將R100=100Ω，R138.5=138.5Ω代入，整理后，得到：

則有：

又因?yàn)椋篸R100=100×10-6Ω/℃，dR138.5=138.5×10-6Ω/℃，故兩個(gè)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)電阻的溫度漂移對(duì)熱電阻測(cè)溫對(duì)應(yīng)電阻R的影響為：

再由鉑熱電阻測(cè)溫原理，得到：

根據(jù)熱電阻阻值相對(duì)測(cè)量誤差對(duì)溫度值產(chǎn)生誤差的影響，溫度的相對(duì)誤差應(yīng)為阻值誤差的2.6倍，則可最終得到補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度漂移對(duì)熱電阻測(cè)溫引入的誤差約為5.2ppm/℃。

基于該方法對(duì)整個(gè)航空用熱電偶校檢過程的冷端補(bǔ)償方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)在于：將測(cè)量裝置因?yàn)榄h(huán)境溫度發(fā)生變化產(chǎn)生的難以控制的誤差轉(zhuǎn)換為方便控制且成本低的兩只標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差變化，在提高冷端補(bǔ)償準(zhǔn)確度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。

3.結(jié)語

通過對(duì)航空用熱電偶校檢時(shí)冷端補(bǔ)償?shù)姆桨概c熱電阻測(cè)溫冷端補(bǔ)償法中影響因素的討論，得到了兩種有效減小或消除航空用熱電偶校檢時(shí)冷端溫度補(bǔ)償影響因素的方法：采用冰點(diǎn)法進(jìn)行冷端補(bǔ)償或者引入標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償電阻減小鉑熱電阻測(cè)溫補(bǔ)償冷端溫度時(shí)溫漂的誤差影響，確保了航空熱電偶校檢結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，且實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單易行。