某型充飽和蒸氣式溫度傳感器中焊接波紋管的設(shè)計思路及方法

申杰等

摘要：在發(fā)動機燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)、飛機防冰系統(tǒng)，充液（充氣）式溫度傳感器都是重要的元件。充液（充氣）式溫度傳感器通過內(nèi)部充灌的感溫介質(zhì)感受溫度變化后輸出相應(yīng)的位移，從而實現(xiàn)其調(diào)節(jié)功能或?qū)ζ渌骷目刂?。文章闡述了某型充飽和蒸氣式溫度傳感器中焊接波紋管的設(shè)計思路及方法。

關(guān)鍵詞：充飽和蒸氣式溫度傳感器；焊接波紋管；設(shè)計思路；感溫介質(zhì)；彈性元件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2015）12-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.010

充液（充氣）式溫度傳感器是向產(chǎn)品內(nèi)部充灌感溫介質(zhì)，當感溫介質(zhì)感受溫度體積發(fā)生變化后，通過彈性元件輸出相應(yīng)位移。

充液式溫度傳感器感溫介質(zhì)在工作溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生相態(tài)變化，受介質(zhì)本身體膨脹系數(shù)的限制，輸出位移通常較小，如某型充液式溫度傳感器，在-20℃至50℃的溫度變化范圍內(nèi)，位移僅有0.4mm左右。如需較大的位移，則必須有專用的感溫介質(zhì)存儲端，必要時還要改變輸出端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如增加工藝凸臺。圖1中的充液式傳感器就是一個大位移（2.7mm±0.3mm），且有輸出端設(shè)有工藝凸臺的產(chǎn)品。

充液式溫度傳感器除與充氣式溫度傳感器一樣有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的優(yōu)點，其工藝性要優(yōu)于充氣式溫度傳感器，主要是由于充氣式溫度傳感器在充灌時感溫介質(zhì)為氣態(tài)或氣液共存狀態(tài)，因此對整體充灌裝置、溫度傳感器本身以及封口工藝的氣密性要求較高。

充氣式溫度傳感器在制造工藝流程上與充液式溫度傳感器基本相同，只是由于充灌介質(zhì)的不同，又分為充氣式溫度傳感器和充飽和蒸氣式溫度傳感器。充氣式溫度傳感器采用惰性氣體作為感溫介質(zhì)，如氦氣、氮氣。充飽和蒸氣式溫度傳感器則采用易揮發(fā)性的介質(zhì)，如甲苯、乙醇等。此類溫度傳感器較充液式溫度傳感器測溫范圍廣，當感溫介質(zhì)在工作溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換時，其位移輸出量與充液式溫度傳感器并無太大差異，但當感溫介質(zhì)在工作溫度范圍發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換時，即發(fā)生氣-液轉(zhuǎn)換，在溫度傳感器同等體積的前提下，其位移量將成倍增長。

如圖2所示的某型充飽和蒸氣式溫度傳感器，采用的感溫介質(zhì)在工作溫度范圍會發(fā)生氣-液兩種相態(tài)的轉(zhuǎn)換。該溫度傳感器體積與圖1所示充液式溫度傳感器的輸出端大小接近，但位移輸出量達到了2mm±0.1mm。某型充飽和蒸氣式溫度傳感器的位移輸出端和感溫介質(zhì)存儲端是一體的，這并不是此類傳感器所特有的，充液式溫度傳感器同樣也可以采用這種結(jié)構(gòu)，具體采用何種結(jié)構(gòu)主要決定于溫度傳感器安裝結(jié)構(gòu)和位移的需求。

在某型充飽和蒸氣式溫度傳感器試制成功以前，此類溫度傳感器在國內(nèi)航空機載設(shè)備中尚未見采用，也未有對其焊接波紋管設(shè)計思路及方法的系統(tǒng)闡述。

1 膜片波紋型面的選擇

圖2所示的充飽和蒸氣式溫度傳感器的位移輸出端（感溫介質(zhì)存儲端）主要由焊接波紋管構(gòu)成，而焊接波紋管則是通過焊接膜片的內(nèi)、外圓后形成的一個氣密腔體。表1向我們提供了不同的膜片波紋型面其剛度、耐壓能力以及單位長度內(nèi)行程的一個定性信息。從表1中我們可以看出，膜片的波紋型面對焊接波紋管的剛度、耐壓能力以及單位長度內(nèi)的行程都有著重要的影響，直接影響到充飽和蒸氣式溫度傳感器的位移輸出和可靠性。因此，在設(shè)計初期選擇膜片波紋型面時要結(jié)合充飽和蒸氣式溫度傳感器的輸出位移要求、感溫介質(zhì)的充灌壓力、工作溫度范圍等因素綜合考慮，對膜片型面的選擇方向做一個定性。以某型充飽和蒸氣式溫度傳感器為例，其要求在-20℃至13℃產(chǎn)生2mm±0.1mm的位移，如果在體積相同的情況下，采用充液式溫度傳感器，在如此小的溫度范圍內(nèi)是無法滿足位移要求的。

根據(jù)需要，某型充飽和蒸氣式溫度傳感器采用了可以在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)生氣-液相態(tài)轉(zhuǎn)換的感溫介質(zhì)氟利昂R410，在常溫20℃充灌時，飽和蒸氣壓力可以達到約1.5MPa，因此我們選用耐壓能力適中，但單位長度內(nèi)行程較大的集合型膜片。

其中是需要通過查不同膜片型面的曲線圖來確定。以某型充飽和蒸氣式溫度傳感器的集合型膜片為例，當膜片波紋型面確定后，我們可以根據(jù)波紋管外半徑R和波紋管內(nèi)半徑r的比值R/r，得到波深系數(shù)k的值，然后在集合型膜片曲線圖（見圖3）的橫坐標上查到該值。再根據(jù)膜片高度H與厚度h的比值H/h，找到相應(yīng)的值曲線，從該曲線與k值的交點沿橫坐標平行畫一條直線，與縱坐標的交點就是我們需要的值。

彈性模量E也需要根據(jù)不同的材料查閱資料獲得，但膜片材料的選定一般是根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境（如溫度、介質(zhì)）或其他使用條件來確定。

其余變量h、n、R在下節(jié)感溫介質(zhì)工作壓力與焊接波紋管剛度的匹配計算中進行討論。

3 感溫介質(zhì)工作壓力與焊接波紋管剛度的匹配方法及設(shè)計要點

當充飽和蒸氣式溫度傳感器工作時，其充灌的感溫介質(zhì)在最高工作溫度和最低工作溫度時分別有一個壓力值，這兩個壓力作用在焊接波紋管上，會得到兩個集中力值，這兩個集中力內(nèi)的范圍就是我們合理配置其他變量的范圍。簡而言之，感溫介質(zhì)工作壓力與焊接波紋管剛度的匹配計算，其實就是一個力平衡的計算

3.1 部分變量的確定方法

其中f0仍需要借助膜片曲線圖來確定，方法同值的確定方法類似，根據(jù)波紋管外半徑R和波紋管內(nèi)半徑r的比值R/r，得到波深系數(shù)k的值，然后在膜片曲線圖（見圖3）的橫坐標上查到該值。再根據(jù)膜片高度H與厚度h的比值H/h，找到相應(yīng)的f0值曲線，沿該曲線與k值的交點與橫坐標平行畫一條直線，與縱坐標f0的交點就是我們需要的f0值。

P0值則需要借助感溫介質(zhì)的壓-焓圖進行確定，壓-焓圖是以絕對壓力為縱坐標，比焓值為橫坐標的熱力圖，在圖上可以查到該介質(zhì)的不同狀態(tài)的壓力值、溫度值、熵值、比焓值、比容值和干度值。但對本文所討論的內(nèi)容，我們只需看溫度和壓力的對應(yīng)關(guān)系即可。

我們以某型充飽和蒸氣式溫度傳感器所用的感溫介質(zhì)R410-a為例，其壓-焓圖如圖4所示。在壓-焓圖上，我們先找到某型充飽和蒸氣式溫度傳感器最高工作溫度13℃和最低工作溫度-20℃這兩個溫度點，從這兩個溫度點沿橫坐標分別畫一條橫線，與縱坐標壓力的交點就是該感溫介質(zhì)在這兩個溫度下的飽和蒸氣壓力，這時我們可以看出在這兩個溫度下感溫介質(zhì)R410-a對應(yīng)的飽和蒸氣壓力分別約為1.2MPa和0.6MPa。

在得到這兩個溫度下感溫介質(zhì)R410對應(yīng)的飽和蒸氣壓力值后，從式（2）中我們可以看出，變量只剩下波紋管外半徑R，波紋管內(nèi)半徑r，膜片高度H，膜片厚度h和膜片數(shù)n。

波紋管外半徑R通常意義下與用戶的使用要求有關(guān)，如安裝尺寸，因此用戶一般會給定一個值或一個范圍，這樣我們就得到一個R的定值或在范圍內(nèi)選定一

個值。

當R值確定以后，我們就可以通過式（2）確定出該某型充飽和蒸氣式溫度傳感器在最高工作溫度13℃和最低工作溫度-20℃時所能產(chǎn)生的集中力范圍。

在這個范圍內(nèi)我們可以對剩余的變量r、h、n、H進行合理的配置，方法與充液式溫度傳感器類似，主要是配置過程中考慮加工的工藝性和經(jīng)濟性。如厚度h，其值越小，剛度K值則越小，但我們不能為了尋求小的剛度值，而不斷降低厚度h的值，這樣會大大增加冷軋工藝上的難度，同時由于冷軋次數(shù)的增加，成本也會大幅攀升。

3.2 設(shè)計要點

當充飽和蒸氣式溫度傳感器充灌的感溫介質(zhì)在常溫下是高壓的氣體或氣液共存體時，就會存在極高的泄漏風險。

仍以某型充飽和蒸氣式溫度傳感器為例，最初設(shè)計采用0.07mm厚度膜片，目的在于保證焊接波紋管剛度的同時，減少焊接工序。但常溫下該感溫介質(zhì)充灌壓力為1.4MPa，充灌完畢后，當天測試該溫度傳感器性能良好，滿足產(chǎn)品的性能要求。經(jīng)過一周的存放，再次測試時發(fā)現(xiàn)該充飽和蒸氣式溫度傳感器的總位移已經(jīng)下降至原測試數(shù)據(jù)的70%，說明充飽和蒸氣式溫度傳感器已經(jīng)發(fā)生了泄漏。后經(jīng)理化分析，膜片材料最終狀態(tài)的平均晶粒度為30μm，也就是說在單個膜片厚度上只有約2個晶粒，在高壓條件下，致使感溫介質(zhì)沿晶間泄漏。后將膜片厚度加至0.1mm，單個膜片厚度約有3個晶粒，經(jīng)存放后證明，此時的泄漏率可以滿足該充飽和蒸氣式溫度傳感器的使用要求。

因此建議在確定變量膜片厚度h時，應(yīng)保證膜片厚度h大于等于3個該膜片材料最終狀態(tài)的平均晶粒度之和，這樣可以保證充飽和蒸氣式溫度傳感器在使用年限內(nèi)，泄漏率保持在合理可靠的范圍。

4 結(jié)語

第一，本文闡述了某型充飽和蒸氣式溫度傳感器中焊接波紋管的設(shè)計思路與方法，主要不同于充液式溫度傳感器（常壓充灌）的方面有：（1）膜片型面選擇要結(jié)合位移輸出量、工作溫度范圍和感溫介質(zhì)充灌壓力，綜合考慮膜片的剛度、耐壓性和單位長度內(nèi)的行程；（2）通過感溫介質(zhì)壓-焓圖確定最高工作溫度和最低工作溫度時的壓力范圍，在此壓力范圍內(nèi)合理配置其他變量；（3）膜片厚度的選定要考慮防止感溫介質(zhì)在高壓氣態(tài)下沿晶間泄漏。

第二，本文所闡述的某型充飽和蒸氣式溫度傳感器中焊接波紋管的設(shè)計思路與方法，部分參數(shù)是基于理想化的參數(shù)，與實際參數(shù)會有一定出入，因此計算結(jié)果不能完全與測試結(jié)果一致。該設(shè)計思路與方法可以最大限度縮小與實際要求的距離，在實際試驗過程仍需要進行微量調(diào)整方可滿足充飽和蒸氣式溫度傳感器的性能

要求。

參考文獻

[1] 金慧根.航空制造手冊/彈性元件工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.

[2] 朱穎.制冷工藝設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

作者簡介：申杰（1978-），男，山西原平人，太原航空儀表有限公司敏感元件研究所工程師，研究方向：彈性敏感元件設(shè)計；毛慧卿（1987-），女，山西五臺人，太原航空儀表有限公司敏感元件研究所工程師，研究方向：彈性敏感元件

工藝。

（責任編輯：周 瓊）