某風(fēng)洞總溫探頭設(shè)計(jì)

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 李廣恒 李永清 張 茜 彭春文 金 琦 高 躍

本文講述了用于風(fēng)洞總溫排架校測探頭的設(shè)計(jì)理念，通過對(duì)結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行分析，具體說明了此款溫度傳感器的技術(shù)難點(diǎn)與解決方案，并對(duì)其效益進(jìn)行了分析。

風(fēng)洞被稱為“航空航天飛行器的搖籃”，被世界各國視為重要的戰(zhàn)略資源。此款溫度傳感器正是應(yīng)用于風(fēng)洞溫度場的校測。

1 應(yīng)用背景

此溫度傳感器應(yīng)用于氣動(dòng)院某風(fēng)洞溫度場校測，目的主要是：確定試驗(yàn)段溫度均勻區(qū)范圍和溫度場品質(zhì)，同時(shí)確定從穩(wěn)定段到試驗(yàn)段的總溫?fù)p失。

2 工作原理

熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢信號(hào)，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在Seebeck電動(dòng)勢——熱電動(dòng)勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表，分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時(shí)，可接入測量儀表，測得熱電動(dòng)勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。溫度傳感器正是利用熱電偶的溫度特性而設(shè)計(jì)的。熱電偶工作原理圖如圖1所示。

圖1 溫度傳感器原理圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱電偶的基本結(jié)構(gòu)是熱電極、絕緣材料和保護(hù)管。在現(xiàn)場使用中根據(jù)環(huán)境、被測介質(zhì)等多種因素研制成適合各種環(huán)境的熱電偶。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

316L是含鉬不銹鋼種，具有良好的耐溫、防腐性能，可長期使用。本設(shè)計(jì)方案 中，熱電偶偶絲、外保護(hù)管、壓緊螺母、鎖緊螺母等部件全部采用316L加工制作，從而使傳感器整機(jī)具有優(yōu)良的耐溫、防腐、剛度特性。熱電極采用一級(jí)鎳鉻—鎳硅合金絲，偶絲直徑為1mm，連續(xù)工作溫度可達(dá)1200℃以上。熱電偶絲采用磁珠與不銹鋼護(hù)管絕緣隔離，并用耐高溫?zé)o機(jī)膠加以封裝固定。引線采用壓緊的方式進(jìn)行固定。

4 工藝設(shè)計(jì)

裝配結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器的性能影響至關(guān)重要，按照技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的外形尺寸，保證傳感器的測試精度不受結(jié)構(gòu)影響，必須對(duì)整個(gè)傳感器的設(shè)計(jì)提供結(jié)構(gòu)上的保證。為此，我們在裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，偶絲穿過磁珠與不銹鋼護(hù)管之間相互之間絕緣隔離，并用耐高溫?zé)o機(jī)膠加以封裝固定。鎖緊螺母通過壓環(huán)與傳感器外保護(hù)管鎖緊，螺紋口加注耐高溫?zé)o機(jī)膠防止螺紋松動(dòng)。

關(guān)鍵工藝點(diǎn)和質(zhì)控點(diǎn)：

傳感器生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝見圖中黑體部分，關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)是精度測試和環(huán)境試驗(yàn)后的出廠檢驗(yàn)。關(guān)鍵工序的主要工作內(nèi)容如下：

加工件檢驗(yàn)：嚴(yán)格按機(jī)械圖紙要求對(duì)全部機(jī)加零部件進(jìn)行入廠檢驗(yàn)。

整機(jī)組裝：將偶絲、外保護(hù)管等部件按工藝要求固定封裝。

整機(jī)老化：將組裝后的整機(jī)進(jìn)行通電老化、高低溫溫場老化。

精度測試：根據(jù)溫度傳感器的工作范圍，反復(fù)考核、測試傳感器的實(shí)測精度。

環(huán)境試驗(yàn)：對(duì)傳感器進(jìn)行溫度沖擊、振動(dòng)等項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目，考核傳感器的穩(wěn)定性。

出廠檢驗(yàn)：對(duì)傳感器進(jìn)行綜合的性能指標(biāo)測試，根據(jù)測試結(jié)果，判定產(chǎn)品是否合格。

5 技術(shù)難點(diǎn)

本項(xiàng)目溫度傳感器與工業(yè)用溫度傳感器的主要區(qū)別是傳感器應(yīng)能滿足振動(dòng)、沖擊等環(huán)境試驗(yàn)的要求，歸納傳感器的技術(shù)難點(diǎn)，主要包括以下幾個(gè)方面：

5.1 傳感器的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)要求

本項(xiàng)目溫度傳感器在無包裝，在水平放置、旋轉(zhuǎn)90o水平放置、垂直放置三個(gè)不同方向，三個(gè)不同方向分別進(jìn)行振動(dòng)頻率為80Hz、120Hz、150Hz定頻振動(dòng)試驗(yàn)，加速度35g，傳感器的輸出變化量應(yīng)不大于±5mV。試驗(yàn)后，檢測傳感器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)滿足詳細(xì)規(guī)范要求。

5.2 傳感器的耐溫設(shè)計(jì)要求

由于溫度傳感器處于高溫氣體工作環(huán)境，要求溫度傳感器整機(jī)具有良好的適應(yīng)高溫工作環(huán)境的特性，因此，在傳感器外保護(hù)管、偶絲、內(nèi)部固定封裝結(jié)構(gòu)等方面，均應(yīng)滿足適應(yīng)高溫工作環(huán)境的使用要求。

6 技術(shù)難點(diǎn)解決措施

6.1 傳感器的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)

為滿足抗振動(dòng)（35g）沖擊（100g）的要求，傳感器外保護(hù)管及連接件全部采用316L不銹鋼結(jié)構(gòu)。偶絲直徑為1mm，采用耐溫磁珠及高強(qiáng)度、耐高溫?zé)o機(jī)膠將偶絲封裝固定在不銹鋼護(hù)管內(nèi)。所選高溫?zé)o機(jī)膠系硅酸鹽氧化物耐高溫膠粘劑，固化后堅(jiān)硬如石，抗拉伸強(qiáng)度高達(dá)35Mpa，封裝之后，傳感器整機(jī)可完全滿足抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)要求。

6.2 傳感器耐溫防護(hù)設(shè)計(jì)

傳感器外保護(hù)管及連接件全部采用316L不銹鋼加工制作，316L不銹鋼和同類不銹鋼材料相比，具有更好的耐高溫性能，可在1000K溫度環(huán)境長期使用。K偶偶絲采用鎳鉻—鎳硅加工制作，偶絲具有良好的耐溫性能，最高工作溫度可達(dá)1200℃。偶絲外采用耐溫磁珠及高溫?zé)o機(jī)膠將偶絲封裝固定在不銹鋼護(hù)管內(nèi)，所選高溫?zé)o機(jī)膠系硅酸鹽氧化物耐高溫膠粘劑，使用溫度可達(dá)1500℃，同時(shí)具備耐油、耐水、耐弱酸、弱堿等特性，以及良好的高溫絕緣性能。通過采取上述措施，可使傳感器滿足高溫工作環(huán)境的要求。

7 新品特點(diǎn)

該產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)全部為自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品性能主要體現(xiàn)在高可靠、抗振動(dòng)耐高溫等環(huán)境試驗(yàn)的要求。傳感器從設(shè)計(jì)原理到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均以耐惡劣環(huán)境要求為基本出發(fā)點(diǎn)。本項(xiàng)目溫度傳感器具有如下技術(shù)特點(diǎn)。

7.1 測量精度高

本技術(shù)方案采用一級(jí)鎳鉻—鎳硅K型偶絲，在測溫范圍內(nèi)，測量精度達(dá)±1.5℃，可完全滿足現(xiàn)場測溫準(zhǔn)確度要求。

7.2 熱響應(yīng)時(shí)間快

熱電偶偶絲通過外保護(hù)管窗口與被測對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏。

7.3 測量范圍大

溫度傳感器從273到900K，均可連續(xù)測溫。

7.4 高可靠、抗振動(dòng)

傳感器外保護(hù)管及連接件全部采用316L不銹鋼結(jié)構(gòu)。偶絲采用耐高溫陶瓷管及高強(qiáng)度、耐高溫?zé)o機(jī)膠將偶絲封裝固定在不銹鋼護(hù)管內(nèi)。所選高溫?zé)o機(jī)膠系硅酸鹽氧化物耐高溫膠粘劑，使用溫度可達(dá)1500℃，固化后堅(jiān)硬如石，抗拉伸強(qiáng)度高達(dá)35Mpa，同時(shí)具備耐油、耐水、耐弱酸、弱堿等特性，以及良好的高溫絕緣性能。

8 供應(yīng)能力及經(jīng)濟(jì)效益簡析

測溫傳感器除本項(xiàng)目配套的總溫排架測溫使用該產(chǎn)品外，在其它位置控制和測量場合均有該產(chǎn)品的應(yīng)用場合。該傳感器設(shè)計(jì)的可靠性和抗沖擊性能可滿足許多惡劣場合下使用，應(yīng)用范圍十分廣泛。該溫度傳感器每年可保證3000只以上的生產(chǎn)供貨能力。