某型航空发动机温度限制系统检测仪的硬件设计

某型航空发动机温度限制系统检测仪的硬件设计
谢斌;蒋宁;姜涛
【摘要】选择控制器和数据采集卡,设计了专用键盘、T6激励和检测电路、马达控制电压和转速电压检测电路.该硬件设计已应用于某型航空发动机的检测.
【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(031)002
【总页数】5页(P171-175)
【关键词】航空发动机;温度限制;硬件设计;检测电路
【作者】谢斌;蒋宁;姜涛
【作者单位】空军航空大学,航空机械工程系,吉林,长春,130022;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;长春工业大学,机电工程学院,吉林,长春,130012
【正文语种】中文
【中图分类】TP29
0 引言
航空发动机是飞机的动力装置,它直接影响飞机的性能和安全。

发动机涡轮后燃气温度T6是反映飞机发动机性能的一个重要参数,一般都设有温度限制系统来限制发动机T6温度不超过最大允许值,从而保证发动机的安全[1]。

温度限制系统能否正常工作直接影响发动机的性能和安全,为此要定期检测温度限制系统的性能是否满
足要求。

1 温度限制系统的工作原理
温度限制系统和检测仪的工作原理如图1所示。

图1中上半部分是某型航空发动机温度控制系统的工作原理框图。

温度限制器(以下简称温限)把T6热电偶测量得到的T6值与预先设定的限制温度 T6*进行比较,当T6≠T6*时,根据 T6与T6*的差值输出马达控制电压信号,控制作动电机(交流伺服电动机)正转或反转,带动燃油微调机构工作,增大或减小供油量,直到当 T6=T6*时,温限输出的马达控制电压为0,作动电机不工作。

需要注意的是,这种调节是在一定范围内的,当燃油微调机构到达极限位置时,马达控制电压信号仍然存在,但作动电机的电源被切断,作动电机不工作。

测速发电机(直流发电机)与作动电机相连,反馈回与作动电机转速成正比的转速电压信号到温限的检测插座CZ2。

温限输出的马达控制电压信号也同时送入到检测插座CZ2。

图1 温度限制系统和检测仪的工作原理
根据温度限制系统的工作原理可以知道,马达控制电压信号反映了温限的工作性能,而转速电压信号反映了作动电机的工作性能,只要模拟T6热电偶温度信号送入到温控限制器,通过测量上述两个电压信号就可以判断温度限制系统的性能。

2 温度限制系统检测仪的功能和设计要求
温度限制系统检测仪的主要功能就是在发动机静态时(发动机通电但未工作)向温限输入模拟的T6温度,同时,测量并显示模拟的 T6温度、马达控制电压和转速电压,外场维护人员根据发动机生产厂家提供的判定标准判断温度限制系统性能的好坏。

检测仪的设计要求是输出的激励信号稳定、检测的精度满足要求、操作简单、安全性好。

检测的精度要求为 T6温度±2℃,马达控制电压±0.5 V,转速电压±0.2 V。

3 检测仪的硬件设计
检测仪的硬件组成包括检测控制部分、T6激励电路、T6检测电路、马达控制电压
和转速电压检测电路、电源电路等(见图1下半部分)。

3.1 检测控制部分设计
检测控制部分的功用是对整个检测过程进行控制,包括数据采集、处理、显示、存储、读取和人机交互等。

它包括控制器、数据采集卡、显示器、数据存储器和键盘等。

控制器类型有很多种,例如单片机、工控机、PC104总线的工业计算机等。

综合考虑检测仪的设计要求,文中选择了PC104总线的工业计算机模块作为控制器,型号为 SysCentreModule/SDXpn,其主要特点是体积小、功耗低(小于10 W)、运算速度快(工作频率为100 MHz)、能支持LCD或EL显示屏和工作温度范围宽(-40～+80 ℃)等。

数据采集卡型号为PM511P,该数据采集卡是一个PC104总线的数据采集卡,与控制器相配套,它具有16路A/D转换通道,A/D转换通道的转换精度为12 bit,最高转换速为100 kHz,24路可编程开关量输入输出通道,工作温度为-40～+80℃。

EL显示屏作为显示器,其型号为EL640.480-AGI-E1。

它的主要特点是体积小、功耗低,工作温度范围宽(-40～+80℃)等。

数据存储器选择128 M的DOC电子盘,电子盘的工作温度为-40～+80℃。

由于在外场使用普通的计算机键盘不方便,文中设计了简单而又实用的独立式按键键盘[2]。

键盘电路如图2所示。

图2 键盘电路
当某一按键按下后,电路将会产生一个相应的低电平信号(0V)进入到PM511P的开关量通道PA口内。

控制器通过PA口的状态就可以判断出哪一个按键按下,进而执行相应的操作。

键盘采用软件消抖[3]。

3.2 T6激励电路设计
根据热电偶工作原理可知,热电偶感受温度变化输出热电动势,这个热电动势是一个
毫伏级的电压信号。

要想模拟T6温度只要提供与温度相对应的电压信号即可。

T6激励电路的作用是向温限输出模拟T6温度的线性可调毫伏电压信号。

T6激励电
路如图3所示。

图3中下半部分所示就是T6激励电路图。

它的工作原理是通过上面的LM117组成一个恒定的基准电压源,其输出为Ub=1.25 V。

图3 T6激励和检测电路
下面的LM117和电位计R1组成一个可调电压源[4],其输出为:
Uk和Ub施加到由电阻R2和T6热电偶所组成的串联电路上(由于隔离电压传感
器WBV342和温限的输入阻抗非常大,可以不计它们的影响),经过电阻R2的分压
就在T6热电偶上产生模拟T6温度的电压信号ET。

T6热电偶的阻抗为RT=0.5 Ω,ET与电位计R1阻值的对应关系为:
通过式(2)可以看出,ET和R1的阻值是呈线性关系的,由于 R1调整范围为 0～1 kΩ,根据式(2)计算可知,ET的范围为0～40 mV,也就是说,激励电路可以线性可调地向
温限输出0～40 mV的电压信号。

激励电路输出的电压范围满足发动机检测要求。

采用DC-DC变换器向激励电路供电是为了保证温限和检测仪的电气隔离,从而保
证温限的安全。

开关K1用来控制激励信号的通断,另外,当K1接通时,还会产生一
个低电平信号(0V)送往PM511P的开关量通道PA.6,以便控制器记录操作过程。

3.3 T6检测电路设计
T6检测电路的功用是测量模拟的 T6温度的大小。

图3中上半部分就是T6检测电路。

根据热电偶工作原理,首先,通过补偿电缆把施加到温限检测插座CZ1的ET引入到
检测仪内,这相当于把热电偶延长了,这时到达T6检测电路的热电动势不再是ET而
是ET1;然后,通过测量ET1和补偿导线与检测电路连接点处的温度tL(冷端温度)就可以计算得到模拟的T6温度[5]。

隔离电压传感器WBV342将ET1线性隔离地转换为0～+5 V的直流电压信号
UT1,然后经过滤波电路进入到数据采集卡内,在数据采集卡内完成模数转换变为数字量,控制器读取这个数字量经过计算就可以得到ET1。

ET1和UT1之间的关系式为:
温度传感器AD590放置在补偿导线与检测电路的连接点处,测量冷端温度tL,输出与tL成线性关系的电流信号[6],然后经电阻R8成正比地转换为直流电压信号UL,再通过OP07组成的射极跟随器进入到数据采集卡内,在数据采集卡内完成模数转换变为数字量,控制器读取这个数字量,经过计算就可以得到tL,tL与UL的关系式为:
得到tL后,通过K型热电偶在冷端温度为0℃时的分度表进行反插值,就可以得到冷端补偿电压EL。

ET1和EL之和ET6就是模拟的T6温度在冷端温度为0℃时的热电动势,然后通过前述的分度表进行插值就可以得到模拟的T6温度[7]。

以上插值和反插值是在控制器内完成的。

通过对检测仪进行校验,T6温度的检测精度为±1.5℃,满足设计要求。

3.4 马达控制电压和转速电压检测电路设计
马达控制电压和转速电压检测电路的功用是把从温限检测插座CZ2引出的马达控制电压和转速电压信号线性隔离地转换为数据采集卡能够识别的直流电压信号。

马达控制电压和转速电压检测电路如图4所示。

图4 马达控制电压和转速电压检测电路
马达控制电压信号uM为0～30V、400 Hz的正弦交流电压信号,转速电压信号uZ为-10～+10V的直流电压信号。

隔离电压传感器WBV112将uM线性隔离地
转换为0～+5 V的直流电压信号UM。

WBV151将转速电压信号uZ线性隔离地转换为-5～+5 V的直流电压信号UZ。

UM和UZ在数据采集卡内经过模数转换变为数字量,控制器读取这两个数字量,经过计算就可以得到uZ和uM。

通过对检测仪进行校验,马达控制电压的检测精度为±0.2 V,转速电压的检测精度为±0.1 V,都能很好地满足设计要求。

3.5 电源电路设计
电源电路用来把从飞机上引出的27 V直流电转换为检测仪内部需要的各规格的直流电。

根据检测仪的需要,选用了朝阳电源厂生产的集成军品DC-DC变换器,它能把18～36 V的直流电转换为+5 V,±12 V的直流电,它的输出精度高,并且能在-40～80℃的环境下稳定工作,由于输入和输出是隔离的,所以安全性好。

4 结语
设计的检测仪硬件采用了PC104总线控制技术、可调电压源技术和先进的隔离传感器技术,在保证检测精度的同时保证了检测的安全性[8]。

通过外场使用表明,该检测仪具有体积小、重量轻、操作简单、性能稳定和工作温度范围宽等特点,很好地满足了使用要求,目前该检测仪已经广泛装备空、海军航空兵部队。

参考文献:
[1]贺尔铭.民用航空发动机控制原理及典型系统[M].北京:国防工业出版社,2002.
[2]赵宏伟,朱洪文,臧雪柏.微型计算机接口技术[M].长春:吉林大学出版社,1998.
[3]张毅刚,彭喜元,姜守达,等.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.
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[5]黄贤伍,郑筱霞.传感器原理与应用[M].成都:电子科技大学出版社,1999.
[6]W.J.汤普金斯,J.G.威伯斯特.传感器与 IBM PC接口技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1993.
[7]张岩,胡秀芳.传感器应用技术[M].福州:福建科学技术出版社,2006.
[8]李晓明,蔡忠春,蒋宁.航空发动机转速信号的检测[J].长春工业大学学报:自然科学版,2007,28(2):220-223.。