探究PC104的某型航空发动机排气温度测试系统

摘 要： 为了解决某型航空发动机排气温度无法地面实时监控的问题，研制了排气温度测量系统。该系统利用PC104嵌入式工业计算机作为其核心控制器，设计了排气温度检测电路和冷端温度补偿电路，编写了数据采集、处理和显示程序。通过该测量系统，可以使地面保障人员在发动机试车过程中实时监控发动机排气温度，确保其对于发动机工作状况的正确判断。

航空发动机排气温度是监控发动机工作状况的重要参数，如果排气温度超过规定值，就有可能损坏燃烧室、涡轮叶片和尾喷管等发动机部件。目前，某型航空发动机还没有配备排气温度监控装置，监控排气温度主要通过地面试车过程中观察飞机座舱内的排气温度表，这给地面保障人员的工作带来诸多不便，无法有效可靠地保障发动机安全工作。

随着科学技术的发展，计算机技术日渐成熟，已进入人类社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。基于此，本文利用PC104嵌入式工业计算机研制了某型航空发动机排气温度测量系统，在地面试车过程中对发动机排气温度进行实时监控。

1 研制方案

测试系统的技术方案如图1所示，包括核心控制器、数据采集卡、供电电源、温度测量电路和冷端补偿电路几个部分，由控制器、显示屏、键盘、DOC电子盘、数据采集卡、温度测量电路、温度补偿电路、被测对象、供电电源、飞机27 V照明插座顺序连接而成。

测试系统采用PC104总线的嵌入式工业计算机作为其核心控制器，这种控制器由于体积小、结构紧凑、功能齐全、工作温度宽、功耗低、外部设备接口电路简单、与其配套的用于工业控制的板卡较多和性价比高等优点，近些年被广泛应用于工业控制中。采用与PC104总线的嵌入式工业计算机相匹配的PM511PU数据采集卡。

选用EL显示屏，其具有功耗低、速度快、体积小和接口简单等特点。测试系统所需按键较少，所以选用简单的开关式键盘。供电电源由发动机舱+27 V照明插座提供，利用DC-DC变换器将+27 V转换为+12 V、-12 V、+5 V和+24 V向整个系统供电。DC-DC变换器特点是输入电压范围宽、输入和输出隔离、输出的电源稳定性好、精度高。

利用温度检测电路检测发动机排气温度接线盒输出的信号，该信号是通过热电偶测温原理测得的与排气温度值对应的毫伏电压值。另外，利用集成温度传感器AD590测得冷端补偿温度。数据采集卡采集上述排气温度信号和冷端补偿信号并转换成数字量传递给PC104核心控制器。在核心控制器中编写数据采集、数据处理和数据显示程序将排气温度值显示在EL屏上。

2 硬件电路

2.1 排气温度检测电路

测试系统排气温度检测电路如图2所示，发动机利用8个相同的单元件热电偶并联连接，用来测量涡轮后的燃气平均温度。热电偶用其安装边装在排气混合器周围的孔内，探头穿过机匣伸入到涡轮后的燃气流内，测得燃气平均温度通过排气温度接线盒输出。本系统利用镍铬-镍铝热电偶温度补偿导线将排气温度接线盒与检测电路相连。

在检测电路中，被测信号首先经过隔离传感器，安装隔离传感器的目的是将被测信号与测量电路隔离，隔断外界的共模电压和串引进来的电磁干扰，保证检测系统可靠工作，同时也保证了被测发动机的安全。另外，隔离传感器还可以将被测信号成比例地进行线性转化。

由于测试现场环境复杂，虽然经过隔离仍有干扰引入，选用电阻R1为100 kΩ，电容C1为0.47 μF，截止频率为f=1/（2πR1C1）的一阶低通滤波器可以有效地滤除干扰。经过滤波的温度信号用OP07运算放大器进行放大，放大倍数为（R2+R3）/R2=1.5，之后送到数据采集卡1通道。

2.2 冷端温度补偿电路

测试系统冷端温度补偿电路如图3所示，冷端温度测量采用的是AD590集成温度传感器，该传感器是电流输出型温度传感器的典型产品，具有线性度好、灵敏度高、体积小、稳定性好、输出信号大且规范化等优点。其利用电路产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，温度系数为1 μA/K，在温度为25 ℃时输出298.2 μA电流。

AD590输出电流与温度关系式为I=1 μA/K×（273.2+t）K。冷端温度测量的具体方法是：首先将AD590传感器置于热电偶测温回路的冷端，冷端温度的极限范围在-55 ℃～80 ℃之间，而数据采集卡的采集范围是-5 V～5 V，经过计算分析AD590输出端流过的电阻选择为14 kΩ，当环境温度为-55℃时，传感器输出电压U0=1 μA/K×14 kΩ×（273.2-55）K=1.962 V，当环境温度为80℃时，传感器输出电压U0=1 μA/K×14 kΩ×（273.2+80）K=4.945 V。

由此可知，传感器输出电压的范围在1.962 V～4.945 V之间，该电压信号经过OP07运算放大器电压跟随后送入到数据采集卡0通道。

3 软件设计

测试系统采用DOS系统作为其运行环境。DOS系统尽管程序界面简单，但由于其稳定性高、对计算机配置要求较低等优点，仍然广泛应用于工业控制中。同时，在DOS系统下装载UCDOS系统，使程序界面中能够显示汉字，便于人机交互。

另外，软件系统以Turbo C 2.0作为开发环境。测试系统包括数据采集、数据处理和数据显示几个部分，核心控制器检测程序流程如图4所示，检测程序首先对系统进行初始化，然后对各个检测通道的数据进行采样，接下来对采样得到的数据进行运算、分析、处理，最后将结果显示在EL屏上。

作者：李晓明，冯志书，徐刚

编辑：jq