高溫氣流溫度傳感器測(cè)溫偏差關(guān)鍵影響因素分析

趙 儉，荊卓寅，李亞晉

（中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

高溫氣流溫度傳感器測(cè)溫偏差關(guān)鍵影響因素分析

趙 儉，荊卓寅，李亞晉

（中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

為建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫氣流溫度傳感器的數(shù)學(xué)模型，并給出其典型推薦結(jié)構(gòu)，對(duì)高溫氣流溫度傳感器在熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上進(jìn)行校準(zhǔn)，得到不同溫度傳感器在不同工況條件下的測(cè)溫偏差，并針對(duì)屏蔽罩長(zhǎng)徑比、冷卻介質(zhì)量、偶絲材料、傳感器結(jié)構(gòu)、外殼冷卻方式以及偶絲傾角等關(guān)鍵影響因素，對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行分析，得到了溫度傳感器測(cè)溫偏差的影響規(guī)律。結(jié)果表明，采用大長(zhǎng)徑比、單屏蔽、干燒式結(jié)構(gòu)，增大偶絲傾角，采用低導(dǎo)熱系數(shù)的偶絲材料、以及減少冷卻介質(zhì)量，均可減小溫度傳感器的測(cè)溫偏差，當(dāng)長(zhǎng)徑比≥5時(shí)，溫度傳感器在1300℃以下的相對(duì)測(cè)溫偏差不超過(guò)2.2%。

溫度傳感器；高溫氣流；測(cè)溫偏差；影響因素；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

高溫氣流溫度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于評(píng)價(jià)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、監(jiān)控其狀態(tài)等具有重要意義。受傳熱損失、不完全滯止等因素影響，高溫氣流溫度傳感器在測(cè)量時(shí)，影響測(cè)量結(jié)果的因素多、影響機(jī)制復(fù)雜，因此測(cè)量誤差往往較大，同時(shí)也給高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)造成很大難度。為設(shè)計(jì)出高準(zhǔn)確度的溫度傳感器，需要對(duì)溫度傳感器的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行深入研究，探索關(guān)鍵影響因素及其影響規(guī)律。目前國(guó)內(nèi)可以開(kāi)展溫度傳感器穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，但針對(duì)溫度傳感器穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的系統(tǒng)深入研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，從而影響了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制、生產(chǎn)和試驗(yàn)的質(zhì)量。美國(guó)、俄羅斯（前蘇聯(lián)）等國(guó)家從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，對(duì)溫度傳感器的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了大量的校準(zhǔn)試驗(yàn)研究[1]。美國(guó)NASA在TP 1099技術(shù)報(bào)告中，給出了不同系列尺寸的屏蔽式與裸露式熱電偶溫度傳感器的恢復(fù)修正系數(shù)、輻射修正系數(shù)和時(shí)間常數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，并歸納出了部分經(jīng)驗(yàn)公式，在大量校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及誤差機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)航空、航天領(lǐng)域使用的溫度范圍為室溫～1100℃的氣流溫度傳感器進(jìn)行了規(guī)范化[2-3]。本文通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域常用的幾種典型高溫氣流溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫偏差校準(zhǔn)，并對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到了溫度傳感器測(cè)溫偏差的主要影響因素及其影響規(guī)律。

1 研究對(duì)象

選取航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域常用的幾種典型高溫氣流溫度傳感器為研究對(duì)象，傳感器基本信息見(jiàn)表1。

表1 典型高溫氣流溫度傳感器基本信息

TS-3傳感器為多點(diǎn)葉型結(jié)構(gòu)，外觀如圖1（a）所示；TS-5、TS-6、TS-7傳感器結(jié)構(gòu)類似，均為單點(diǎn)橫向結(jié)構(gòu)，外觀如圖 1 （b） 所示；TS-8、TS-9、TS-10、TS-11、 TS-12、 TS-13、TS-14傳感器結(jié)構(gòu)類似，均為多點(diǎn)梳狀結(jié)構(gòu)，外觀如圖1（c）所示。其中TS-10傳感器為裸露式，其余各傳感器為單屏蔽式。

2 測(cè)溫偏差校準(zhǔn)

接觸式溫度傳感器在測(cè)量高溫氣流溫度時(shí)，存在輻射誤差、導(dǎo)熱誤差和速度誤差，測(cè)溫偏差通常為上述3項(xiàng)誤差之和[4-6]。

一般可在熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上進(jìn)行校準(zhǔn)，得到溫度傳感器的測(cè)溫偏差。校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)溫偏差為

式中：Tj為溫度傳感器指示溫度，K；T0為氣流總溫，K。

由參考溫度傳感器——雙屏吸氣偶測(cè)得。雙屏吸氣偶是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的高準(zhǔn)確度氣流溫度傳感器，具有內(nèi)、外2層屏蔽罩，敏感元件置于內(nèi)屏蔽罩內(nèi)部。利用真空泵抽氣，使被測(cè)氣流高速流過(guò)內(nèi)、外屏蔽罩之間的環(huán)形流道，強(qiáng)化氣流和內(nèi)、外屏蔽罩之間的對(duì)流換熱，提高內(nèi)、外屏蔽罩的溫度，從而減小雙屏吸氣偶的輻射誤差和導(dǎo)熱誤差。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的內(nèi)屏蔽罩滯止結(jié)構(gòu)，可減小雙屏吸氣偶的速度誤差[7-9]。

校準(zhǔn)時(shí)，將雙屏吸氣偶與被校溫度傳感器安裝于熱校準(zhǔn)風(fēng)洞試驗(yàn)段的核心區(qū)，調(diào)整到規(guī)定的氣流溫度、馬赫數(shù)工況并充分穩(wěn)定后，采集記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)式（1）計(jì)算被校溫度傳感器的測(cè)溫偏差[10]。溫度傳感器測(cè)溫偏差校準(zhǔn)如圖2所示。本文所涉及的溫度傳感器測(cè)溫偏差校準(zhǔn)均在常壓下進(jìn)行。

3 校準(zhǔn)結(jié)果與分析

3.1 屏蔽罩長(zhǎng)徑比對(duì)測(cè)溫偏差的影響

比較氣流馬赫數(shù)0.2條件下，不同長(zhǎng)徑比溫度傳感器測(cè)溫偏差的校準(zhǔn)結(jié)果。TS-8、TS-14傳感器屏蔽罩的長(zhǎng)徑比為2，TS-11、TS-12傳感器屏蔽罩的長(zhǎng)徑比均為5，而TS-9傳感器屏蔽罩的長(zhǎng)徑比為7。

TS-8、TS-14、TS-11、TS-12 及 TS-9 傳感器的測(cè)溫偏差相對(duì)值如圖3所示，分別為25.0%～26.7%、11.1%～13.8% 、1.3%～2.0% 、1.2% ～2.2% 和 1.1% ～1.5%。從圖中可見(jiàn)，溫度傳感器的測(cè)溫偏差隨屏蔽罩長(zhǎng)徑比的增大而減小。產(chǎn)生這種變化的原因?yàn)椋寒?dāng)屏蔽罩長(zhǎng)徑比增大時(shí)，屏蔽罩的導(dǎo)熱熱阻增大，導(dǎo)熱誤差減小，屏蔽罩頭部的內(nèi)壁面溫度有所增加，從而使得傳感器的輻射誤差減小，總的測(cè)溫偏差亦隨之減小。因此，在設(shè)計(jì)高溫氣流溫度傳感器時(shí)，為保證其測(cè)溫偏差足夠小，屏蔽罩的長(zhǎng)徑比應(yīng)不小于5，但應(yīng)兼顧傳感器的安裝問(wèn)題。

3.2 傳感器冷卻介質(zhì)量對(duì)測(cè)溫偏差的影響

TS-14溫度傳感器為氣冷式結(jié)構(gòu)，由于屏蔽罩未采用大長(zhǎng)徑比，其測(cè)溫偏差較大。在冷氣流量增大時(shí)，測(cè)溫偏差隨之增大，而且，氣流溫度越低，這種影響越大。如圖4（a）所示，在氣流馬赫數(shù)為0.2的條件下，當(dāng)冷卻氣與主流燃?xì)獾馁|(zhì)量流量比qc/qg在0.016～0.032范圍內(nèi)變化時(shí)，氣流溫度分別為1000、1200和1400℃時(shí)，測(cè)溫偏差相對(duì)值分別增大了2.9%、1.4%和0.5%，這可以理解為氣流溫度升高時(shí)，測(cè)溫偏差中輻射誤差的貢獻(xiàn)逐漸增大，導(dǎo)熱誤差的貢獻(xiàn)逐漸減小所致[11]。

TS-13溫度傳感器亦為氣冷式結(jié)構(gòu)，為減小導(dǎo)熱誤差，采用了較大的長(zhǎng)徑比，較之傳統(tǒng)的水冷式測(cè)溫耙，該傳感器的測(cè)溫偏差大幅度減小。如圖4（b）所示，冷卻氣與主流燃?xì)獾馁|(zhì)量流量比qc/qg在0～0.35范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度傳感器在同一測(cè)量溫度下的測(cè)溫偏差基本保持不變，說(shuō)明由于長(zhǎng)徑比足夠大，基本上消除了溫度傳感器的導(dǎo)熱誤差。

綜上，小長(zhǎng)徑比的溫度傳感器，冷卻介質(zhì)量對(duì)傳感器測(cè)溫偏差有較明顯的影響；大長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)徑比≥5）的溫度傳感器，由于導(dǎo)熱誤差基本消除，冷卻介質(zhì)量對(duì)傳感器無(wú)明顯影響。

3.3 偶絲材料對(duì)測(cè)溫偏差的影響

TS-3傳感器為氣冷式葉型溫度傳感器，屏蔽罩的長(zhǎng)徑比較小，所以其測(cè)溫偏差中，導(dǎo)熱誤差所占比重相對(duì)較大（氣流溫度為1000℃），測(cè)點(diǎn)2的測(cè)溫偏差比測(cè)點(diǎn)1、3、5的都要大（測(cè)點(diǎn)4為裸露式結(jié)構(gòu)，不參與比較），如圖5所示。這是由于測(cè)點(diǎn)2采用的是S型熱電偶，其余測(cè)點(diǎn)采用的是K型熱電偶，因S型熱電偶絲材料為鉑銠10-鉑，而K型熱電偶絲材料為鎳鉻-鎳硅，鉑銠10-鉑的導(dǎo)熱系數(shù)比鎳鉻-鎳硅大得多，所以測(cè)點(diǎn)2的導(dǎo)熱系數(shù)比其它測(cè)點(diǎn)要大，導(dǎo)致其測(cè)溫偏差也大。

在設(shè)計(jì)高溫氣流溫度傳感器時(shí)，若屏蔽罩采用小長(zhǎng)徑比，同時(shí)外殼又采用冷卻的方式，則在偶絲材料的選擇上，需要充分考慮偶絲材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。此外，如果氣流溫度較高，預(yù)計(jì)輻射誤差在測(cè)溫偏差中所占比例將加大，則還需考慮偶絲表面發(fā)射率的影響。

3.4 2種結(jié)構(gòu)傳感器測(cè)溫偏差的比較

TS-7、TS-5傳感器，分別為裸露干燒式結(jié)構(gòu)和單屏蔽干燒式結(jié)構(gòu)?？傮w上，裸露干燒式傳感器比單屏蔽干燒式傳感器的測(cè)溫偏差大。不同頭部結(jié)構(gòu)溫度傳感器的測(cè)溫偏差如圖6所示。在Ma=0.2時(shí)，裸露干燒式傳感器與單屏蔽干燒式傳感器的相對(duì)測(cè)溫偏差分別為1.0%～5.7%、0.4%～1.1%，二者相差較多；而在Ma=0.5時(shí)，裸露干燒式傳感器與單屏蔽干燒式傳感器的相對(duì)測(cè)溫偏差分別為1.9%～3.8%、2.2%～2.3%，二者相差較少。

由于TS-7傳感器與TS-5傳感器都是干燒式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱誤差較小，輻射誤差占較大的比重。增加屏蔽罩對(duì)傳感器測(cè)溫偏差有2方面的影響：一是使偶絲接點(diǎn)的環(huán)境壁溫增大，減小輻射誤差，從而減小測(cè)溫偏差；二是使偶絲接點(diǎn)周圍的氣流速度減小，偶絲與氣流的對(duì)流換熱系數(shù)變小，增大輻射誤差和導(dǎo)熱誤差，從而增大測(cè)溫偏差[12]。在低馬赫數(shù)時(shí)，由于輻射誤差相對(duì)較大，屏蔽罩的屏蔽效果顯著，所以單屏蔽式傳感器的測(cè)溫偏差明顯小于裸露式傳感器。而隨馬赫數(shù)的升高，單屏蔽式傳感器對(duì)流換熱系數(shù)變小的效應(yīng)相對(duì)比較明顯，所以裸露式傳感器與單屏蔽式傳感器之間測(cè)溫偏差的差值呈變小的趨勢(shì)。因此，在設(shè)計(jì)此類溫度傳感器時(shí)，針對(duì)不同的氣流馬赫數(shù)，需要區(qū)別考慮。

3.5 外殼冷卻方式對(duì)測(cè)溫偏差的影響

TS-6傳感器為L(zhǎng)型裸露水冷式結(jié)構(gòu)，Ma=0.2時(shí)，其相對(duì)測(cè)溫偏差為6.3%～7.4%，比TS-5（單屏蔽干燒式）和TS-7（裸露干燒式）的都大，如圖7所示。

雖然TS-6傳感器采用了L型結(jié)構(gòu)，增大了長(zhǎng)徑比，但長(zhǎng)徑比還不夠大，未能達(dá)到5，水冷結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其導(dǎo)熱誤差較大。另外，由于采用L型結(jié)構(gòu)，偶絲與氣流方向平行，而TS-5傳感器和TS-7傳感器為直型結(jié)構(gòu)，偶絲與氣流方向垂直。偶絲與氣流方向平行的情況，對(duì)流換熱系數(shù)相對(duì)較小，所以，該傳感器在長(zhǎng)徑比不夠大的情況下，L型結(jié)構(gòu)反而增大了其輻射誤差和導(dǎo)熱誤差。上述2個(gè)因素均導(dǎo)致傳感器的測(cè)溫偏差變大[13]。

3.6 偶絲傾角對(duì)測(cè)溫偏差的影響

TS-10傳感器有8個(gè)測(cè)點(diǎn)，從傳感器的頭部到根部，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為 1～8，其中中間的測(cè)點(diǎn) 3、4、5、6，偶絲與氣流方向平行，而靠外的測(cè)點(diǎn)2、7，偶絲與氣流方向成15°，最外側(cè)的測(cè)點(diǎn)1、8，偶絲與氣流方向成30°。不同偶絲傾角溫度傳感器的測(cè)溫偏差如圖8所示。

一般而言，測(cè)點(diǎn)8距水冷套最近，導(dǎo)熱誤差應(yīng)最大，測(cè)點(diǎn)7次之，但從圖8中可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)7的相對(duì)測(cè)溫偏差分別為13.0%～16.3%和15.1%～17.5%，而測(cè)點(diǎn)5的相對(duì)測(cè)溫偏差為17.5%～19.2%，測(cè)點(diǎn)8的測(cè)溫偏差反而更小[14]。這是由于偶絲與氣流成一定傾角后，努塞爾數(shù)Nu變大導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)變大，從而使輻射誤差和導(dǎo)熱誤差變小所致[15]。

4 結(jié)論

（1）屏蔽罩長(zhǎng)徑比≥5時(shí)，溫度傳感器的測(cè)溫偏差大幅度減小，氣流溫度在1300℃以下時(shí)，溫度傳感器的相對(duì)測(cè)溫偏差不超過(guò)2.2%。

（2）長(zhǎng)徑比＜5的溫度傳感器，冷卻介質(zhì)量對(duì)傳感器測(cè)溫偏差有較明顯的影響，隨冷卻介質(zhì)量的增大，測(cè)溫偏差增大；長(zhǎng)徑比≥5的溫度傳感器，冷卻介質(zhì)量對(duì)傳感器測(cè)溫偏差的影響不明顯。

（3）導(dǎo)熱誤差占優(yōu)時(shí)，S型熱電偶的測(cè)溫偏差大于K型熱電偶的。

（4）裸露干燒式溫度傳感器的測(cè)溫偏差大于單屏蔽干燒式溫度傳感器的，在高馬赫數(shù)時(shí)，二者之間的差異減小。

（5）水冷式溫度傳感器的測(cè)溫偏差大于干燒式溫度傳感器的，如水冷式溫度傳感器采用L型結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)徑比＜5的情況下，仍不能改變這種趨勢(shì)。

（6）適當(dāng)增大偶絲與氣流的傾角，會(huì)減小溫度傳感器的測(cè)溫偏差。

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Analysis of Key Influencing Factors on Temperature Measuring Deviation of High Temperature Gas Sensors

ZHAO Jian，JING Zhuo-yin，LI Ya-jin
（AVIC Changcheng Institute of Metrologyamp;Measurement,Beijing 100095,China）

In order to build mathematical model and provide typical recommended structure of high temperature gas sensors in aeroengine,temperature measuring deviations of different temperature sensors under different conditions were obtained by calibration in the hot wind tunnel.Aiming at the key influencing factors,including length-diameter ratio of shield,flow of cooling-medium,material of thermal couple wire,structure of temperature sensor,cooling method of shell and angle of thermal couple wire,influencing mechanism was analyzed,and influence laws were obtained.Results show that adoption of greater length-diameter ratio structure,single shield structure,no cooling structure,low thermal conductivity materials of thermal couple wire and less amount of cooling medium can all decrease temperature measuring deviations of sensors.Relative temperature measuring deviation below 1300℃will be no more than 2.2%when length-diameter ratio is no less than 5.

temperature sensor;high temperature gas;temperature measuring deviation;influencing factor;aeroengine

V241.7+5

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.015

2016-11-04

趙儉（1973），男，高級(jí)工程師，從事動(dòng)態(tài)溫度校準(zhǔn)、特殊條件下的溫度測(cè)量工作；E-mail：zhaojianbj73@sina.com。

趙儉，荊卓寅，李亞晉.高溫氣流溫度傳感器測(cè)溫偏差關(guān)鍵影響因素分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（3）：78-82.ZHAOJian,JINGZhuoyin,LIYajin.Analysisofkeyinfluencingfactorsontemperaturemeasuringdeviationofhightemperaturegassensors[J].Aeroengine，2017，43（3）：78-82.

（編輯：趙明菁）