基于測溫偏差機(jī)理的溫度傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

孫昊博, 李凌漢, 鄭肇默

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所,遼寧 沈陽 110015)

在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域,滑油系統(tǒng)主要用于發(fā)動機(jī)上各軸承腔和傳動部件的潤滑和冷卻,當(dāng)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時,清潔的滑油流入發(fā)動機(jī)上的各個軸承腔和傳動齒輪中,減少發(fā)動機(jī)的機(jī)械摩擦損失,提高發(fā)動機(jī)的有效功,延長發(fā)動機(jī)的工作壽命?；蛷妮S承腔和傳動齒輪中流出時,將機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱量帶走,避免軸承和齒輪溫度過熱,起到冷卻作用?；蜏囟炔杉惓?會影響對滑油系統(tǒng)冷卻效果的判斷,導(dǎo)致軸承和傳動齒輪的磨損、腐蝕,甚至引起支承座等重要零部件的損壞[1],因此,滑油系統(tǒng)中溫度測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

溫度測量的準(zhǔn)確與否,主要從穩(wěn)態(tài)測量精度和動態(tài)響應(yīng)特性2個方面進(jìn)行評判,其中,穩(wěn)態(tài)測量精度用于判斷穩(wěn)態(tài)工作條件下傳感器溫度測量的準(zhǔn)確性,主要受輻射誤差、速度誤差、導(dǎo)熱誤差等測溫偏差的影響[2-5],不同類型的測溫偏差的共同作用會導(dǎo)致傳感器的測量溫度偏離介質(zhì)的實際溫度。目前,國內(nèi)外有關(guān)測溫偏差校準(zhǔn)的研究有很多,但在大部分實際使用條件下,相較于速度誤差和導(dǎo)熱誤差,輻射誤差對測溫偏差的影響程度更高,因此相關(guān)的研究方向多以輻射誤差為主,通常會忽略導(dǎo)熱誤差、速度誤差對測溫偏差的影響[6-11]。有關(guān)導(dǎo)熱誤差的研究不多,但也有一些成果,蔡靜等[12]設(shè)計了可同時測量氣流溫度、支座溫度的傳感器,用于導(dǎo)熱誤差分析,并建立了理論模型,推導(dǎo)了導(dǎo)熱誤差的計算公式。莫建偉等[13]針對某溫度傳感器導(dǎo)熱誤差大的問題,通過仿真手段研究了插入深度、來流馬赫數(shù)、來流總溫和基底溫度對導(dǎo)熱誤差的影響。綜合現(xiàn)有的研究成果,導(dǎo)熱誤差的相關(guān)研究多以仿真分析或理論模型為主,少有基于實際使用工況的驗證。另一方面,動態(tài)響應(yīng)特性主要用于表征過渡態(tài)過程中,溫度傳感器測量溫度與介質(zhì)溫度增量之間的差異,是影響動態(tài)溫度測量準(zhǔn)確性的重要參數(shù)[14]。在工程應(yīng)用中,通常采用時間常數(shù)和熱響應(yīng)時間作為動態(tài)特性的特征參數(shù),熱響應(yīng)時間是影響測試結(jié)果的重要因素,時間常數(shù)是反映其動態(tài)響應(yīng)性能最重要的指標(biāo)[15]。若傳感器的時間常數(shù)和熱響應(yīng)時間過大,勢必會影響傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性。

本文以某渦扇發(fā)動機(jī)上選用的滑油溫度傳感器為研究對象,針對其響應(yīng)速度慢、測溫偏差大的問題,以測溫偏差的產(chǎn)生機(jī)理為導(dǎo)入,通過對測溫偏差和時間常數(shù)計算公式的推導(dǎo),明確影響其動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度的重要因素,并以此為依據(jù),提出一種滑油溫度傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化措施,對改進(jìn)后的滑油溫度傳感器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)試驗和隨發(fā)動機(jī)的整機(jī)試驗驗證,證明改進(jìn)措施合理可行,測量結(jié)果能夠滿足航空發(fā)動機(jī)的使用需求。

1 測溫偏差影響因素分析

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)原理

本文所研究的滑油溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器由測溫端、安裝接口和殼體組件3個部分構(gòu)成,在配裝發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗時,測溫端浸于滑油流道內(nèi),測溫端內(nèi)的PT100鉑電阻阻值隨著測量介質(zhì)溫度的變化而變化,該阻值的變化傳遞給控制器,并通過控制器內(nèi)的標(biāo)定線轉(zhuǎn)換為溫度值,用于滑油溫度監(jiān)控。鉑電阻與殼體之間填充氧化鋁粉末,提高熱量傳遞效率。對殼體組件內(nèi)進(jìn)行了灌膠處理,減小熱傳導(dǎo)對測溫偏差的影響。

圖1 改進(jìn)前滑油溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

以該傳感器隨某渦扇發(fā)動機(jī)的整機(jī)試車數(shù)據(jù)為例,選取兩組試驗數(shù)據(jù),其響應(yīng)速度變化趨勢如圖2所示。

圖2 整機(jī)試驗數(shù)據(jù)

兩次試驗的溫度階躍量分別為20 ℃和15 ℃,由圖2可知,在圖中所示的80 s時間域內(nèi),兩次試驗傳感器的采集溫度增量分別為18 ℃和14 ℃,無論是動態(tài)響應(yīng)速度還是穩(wěn)態(tài)測量精度,均不能滿足目前發(fā)動機(jī)的使用需求。下文分別從穩(wěn)態(tài)側(cè)溫偏差和動態(tài)測溫偏差的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),明確測溫偏差的影響因素。

1.2 穩(wěn)態(tài)測溫偏差的產(chǎn)生機(jī)理

以本文所研究的滑油溫度傳感器為例,其穩(wěn)態(tài)測溫偏差主要受輻射誤差、速度誤差和導(dǎo)熱誤差3個方面因素的影響,其中,輻射誤差主要是由傳感器測溫端與其周圍壁面之間的輻射換熱引起的,輻射換熱可寫作

(1)

式中：C0為黑體輻射系數(shù),其值為5.67 W/(m2·K4);ε為黑度系數(shù);F為換熱面積,單位為m2;Tj為傳感器指示溫度,單位為K;Tw為環(huán)境壁溫,單位為K。

由式(1)可知,輻射換熱主要受傳感器指示溫度與環(huán)境壁溫差值的影響,一般來說,在測量介質(zhì)溫度較高時(一般指555 ℃以上),其與環(huán)境壁溫的溫差較大,需考慮輻射換熱對測溫偏差的影響[16],而本文所研究的滑油溫度傳感器的測量溫度一般不超過200 ℃,因此可忽略輻射換熱對測溫偏差的影響。

另外,由于滯止效應(yīng)的作用,傳感器測溫端靠近表面的內(nèi)層溫度降低,測量得到的有效溫度低于介質(zhì)總溫,測量溫度與介質(zhì)總溫之間的差值即為速度誤差。一般來說,只有在被測介質(zhì)流速過高時,才需考慮速度誤差對測溫偏差的影響。本文所述的滑油介質(zhì)流速較慢,且為液體,因此可忽略速度誤差對測溫偏差的影響[16]。

綜上所述,相較于輻射誤差和速度誤差,在測量介質(zhì)溫度較低、流速較慢的情況下,導(dǎo)熱誤差是穩(wěn)態(tài)測溫偏差的主要影響因素。由于傳感器測溫端與傳感器支座之間存在溫度差異,熱量將從溫度較高的測溫端向溫度較低的支座傳導(dǎo),最終導(dǎo)致傳感器的測量溫度低于介質(zhì)的實際溫度,兩者之間的偏差即為導(dǎo)熱誤差。當(dāng)傳感器測溫端為圓柱體時,導(dǎo)熱誤差計算公式可以寫為

(2)

式中：Tg為介質(zhì)有效溫度,單位為K;Td為支座溫度,單位為K;L為浸入長度,單位為m;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),單位為W/(m2·℃);λ為導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m·℃);d為傳感器直徑,單位為m。

根據(jù)式(2)可知,導(dǎo)熱誤差會受到長徑比、導(dǎo)熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、介質(zhì)與傳感器支座溫度差的影響。在發(fā)動機(jī)工況確定時,工作環(huán)境的溫度和滑油介質(zhì)的溫度都是固定的,因此溫度差無法調(diào)整。對于圓柱型測溫端,其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)主要受滑油介質(zhì)流速、運動黏度和傳感器直徑的影響,其中,滑油介質(zhì)的流速和運動黏度都是隨著發(fā)動機(jī)工況的變化而變化的,無法主動調(diào)整,因此,針對本文所述的傳感器,若想通過調(diào)整表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)達(dá)到減小導(dǎo)熱誤差的目的,傳感器直徑是最重要的影響因素。綜合上文,想要減小傳感器的導(dǎo)熱誤差,應(yīng)從增大導(dǎo)熱系數(shù)和傳感器測溫端長徑比2個方面考慮。

增加測溫端浸入長度,可以增加傳感器與介質(zhì)間的對流換熱面積和傳感器的導(dǎo)熱熱阻,減小傳感器的直徑,這樣不僅可以增大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),還可以增加傳感器的導(dǎo)熱熱阻。因此,傳感器測溫端的長徑比越大,導(dǎo)熱誤差越小[17]。導(dǎo)熱系數(shù)對導(dǎo)熱誤差的影響包括傳感器殼體導(dǎo)熱和殼體內(nèi)的填充介質(zhì)導(dǎo)熱 2 個方面,其中,傳感器殼體與待測量的滑油介質(zhì)直接接觸,其導(dǎo)熱系數(shù)越小,導(dǎo)熱熱阻越大,沿測溫端殼體向支座散失的熱量越少,導(dǎo)熱誤差越小;而殼體內(nèi)的填充介質(zhì)主要用于將殼體接收到的熱量傳遞給測溫端鉑電阻,其導(dǎo)熱系數(shù)越大,熱量傳遞效果越好,導(dǎo)熱誤差越小。

1.3 動態(tài)測溫偏差的產(chǎn)生機(jī)理

動態(tài)溫度即在一定的時間內(nèi)變化的溫度,例如氣流溫度突然升高或降低,溫度傳感器有一定的質(zhì)量,導(dǎo)致其具有一定的熱慣性,因此溫度傳感器測量動態(tài)溫度時存在一定的滯后性,這種滯后性導(dǎo)致的測溫偏差稱為動態(tài)測溫偏差[18]。在實際工程應(yīng)用中,通常采用時間常數(shù)和熱響應(yīng)時間作為動態(tài)特性的特征參數(shù)。

在只考慮對流換熱Qτ和傳感器的儲熱率Qc時,熱平衡方程可寫為

Qτ=Qc

(3)

即

(4)

式中：m為傳感器測溫端質(zhì)量,單位為kg;cp為比熱容,單位為kJ/(kg·K);t為時間,單位為s。

式(4)可以整理為

(5)

式中：τ為時間常數(shù),單位為s。

(6)

對式(5)積分求解,并令t=0,Tj=Tj0,可得：

(7)

式(7)可以整理為

(8)

當(dāng)t=τ時,式(8)可寫為

(9)

由式(9)可知,時間常數(shù)可理解為傳感器指示溫度Tj與初始溫度Tj0之差達(dá)到階躍溫度Tg-Tj0的63.2%所需的時間,可寫作T0.632。綜上所述,時間常數(shù)是一個變化量,受到比熱容、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳感器自身結(jié)構(gòu)尺寸的影響,其中,比熱容隨著介質(zhì)溫度的變化而變化,而介質(zhì)溫度又與發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)強(qiáng)相關(guān),除此之外,同一型號的傳感器選用的不同鉑電阻,在不同的使用時期,其時間常數(shù)也會發(fā)生改變,因此,在實際工程應(yīng)用中,通過修正公式實時計算時間常數(shù)并對動態(tài)測溫偏差加以修正是難以實現(xiàn)的。想要減小傳感器的動態(tài)測溫偏差,應(yīng)基于測溫偏差的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素,對傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整。

2 傳感器結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化

綜合前文的分析,穩(wěn)態(tài)測溫偏差中的熱傳導(dǎo)和動態(tài)響應(yīng)特性中的時間常數(shù)這兩項最重要的影響因素均受到表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響,而傳感器測溫端的長徑比又是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最直接的影響因素,因此,本文的改進(jìn)方向主要從調(diào)整傳感器測溫端的結(jié)構(gòu)入手。

由圖1可知,目前的滑油溫度傳感器測溫端殼體的長徑比僅為1.45,過低的長徑比勢必會產(chǎn)生較大的導(dǎo)熱誤差,影響傳感器的測量精度。此外,雖然測溫端內(nèi)填充了導(dǎo)熱系數(shù)較高的氧化鋁粉末,但用于隔熱的灌膠區(qū)位于上殼體內(nèi),這會導(dǎo)致在溫度測量時,在氧化鋁粉末的作用下,加快熱量沿測溫端殼體向安裝接口殼體傳遞的效率,最終導(dǎo)致導(dǎo)熱誤差的增大。這種結(jié)構(gòu)下,灌膠區(qū)無法起到有效的隔熱作用。

針對上述 2 項問題,對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。由于傳感器測溫端位于滑油管路內(nèi),測溫端長徑比的調(diào)整范圍受滑油管路內(nèi)徑的影響,發(fā)動機(jī)上該處管路排布較為密集,且需保證滑油流速、流量的技術(shù)指標(biāo)要求,因此管路內(nèi)徑的調(diào)整范圍有限。改進(jìn)后的滑油溫度傳感器裝機(jī)情況如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的滑油溫度傳感器裝機(jī)情況示意圖

由圖 3 可知,若繼續(xù)增大該處的管路通徑,會導(dǎo)致與上方發(fā)動機(jī)支架干涉,同時綜合考慮滑油流速、流量的技術(shù)指標(biāo)要求,傳感器測溫端長度可由8 mm增加至18 mm,直徑由5.5 mm減小為4 mm,長徑比由1.45增加為4.5,改進(jìn)前后測溫端殼體對比如圖4所示。

圖4 改進(jìn)前后測溫端殼體對比

此外,為防止熱量沿傳感器殼體散失,應(yīng)將隔熱膠的填充位置調(diào)整至測溫端內(nèi)。改進(jìn)后的滑油溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的滑油溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗驗證

3.1 溫度校準(zhǔn)試驗驗證

選取1支改進(jìn)前的滑油溫度傳感器和1支改進(jìn)后的滑油溫度傳感器開展對比試驗驗證工作,試驗設(shè)備連接情況如圖6所示。

圖6 試驗設(shè)備連接情況

圖中操縱盒和穩(wěn)壓電源用于給控制器供電,通過控制器內(nèi)的處理電路和標(biāo)定線,將滑油溫度傳感器內(nèi)PT100鉑電阻的阻值轉(zhuǎn)換為溫度值,并在上位機(jī)內(nèi)對采集溫度進(jìn)行實時監(jiān)控和記錄。

控制恒溫油槽內(nèi)的油溫為100 ℃,待油溫穩(wěn)定后,分別將2支滑油溫度傳感器伸入恒溫油槽中,傳感器僅測溫端浸入油槽,浸入深度與裝機(jī)狀態(tài)保持一致。2支滑油溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性變化曲線如圖7所示,圖中橫坐標(biāo)為采樣時間,縱坐標(biāo)為采集溫度,標(biāo)記處為采集溫度階躍至T0.95的時刻。

圖7 溫度校準(zhǔn)試驗響應(yīng)曲線

動態(tài)響應(yīng)試驗中滑油溫度傳感器相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)

由圖7和表1可知,改進(jìn)前的滑油溫度傳感器溫度階躍至T0.95的響應(yīng)時間為203 s,在介質(zhì)溫度為100 ℃時,穩(wěn)態(tài)測溫偏差為2.8 ℃,目前在發(fā)動機(jī)的使用過程中,要求穩(wěn)態(tài)測量精度不超過2%,達(dá)到T0.95的響應(yīng)時間不超過40 s,因此,改進(jìn)前的滑油溫度傳感器無論是響應(yīng)速度還是穩(wěn)態(tài)精度,均難以滿足發(fā)動機(jī)的使用需求;而改進(jìn)后的滑油溫度傳感器達(dá)到T0.95的響應(yīng)時間僅為34 s,介質(zhì)溫度為100 ℃時的穩(wěn)態(tài)測溫偏差為0.8 ℃,從溫度校準(zhǔn)試驗的結(jié)果來看,滑油溫度傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化措施可大幅提升傳感器的動態(tài)響應(yīng)速度,降低穩(wěn)態(tài)測量偏差。

3.2 隨發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗驗證

滑油溫度傳感器的改進(jìn)優(yōu)化措施經(jīng)溫度校準(zhǔn)試驗驗證有效后,選取1支改進(jìn)前和1支改進(jìn)后的傳感器在發(fā)動機(jī)上開展整機(jī)試驗驗證。

發(fā)動機(jī)上的驗證結(jié)果如圖8所示。分別選取3次試車數(shù)據(jù),試驗程序相同,第1次采用改進(jìn)前的滑油溫度傳感器,第2、3次更換為改進(jìn)后的滑油溫度傳感器。

圖8 整機(jī)試驗數(shù)據(jù)1

由圖8可知,改進(jìn)后的滑油溫度傳感器響應(yīng)速度明顯優(yōu)于改進(jìn)前的狀態(tài),達(dá)到T0.95的響應(yīng)時間約為22 s,且2次改進(jìn)后滑油溫度傳感器的測量一致性良好,穩(wěn)態(tài)采集偏差不超過1 ℃,能夠滿足目前發(fā)動機(jī)的使用需求。

為確認(rèn)改進(jìn)效果的一致性,選取另1支改進(jìn)前和改進(jìn)后的傳感器,在另一臺發(fā)動機(jī)上重復(fù)開展試驗驗證,驗證結(jié)果如圖9所示。

圖9 整機(jī)試驗數(shù)據(jù)2

由圖9可知,改進(jìn)后的滑油溫度傳感器達(dá)到T0.95的響應(yīng)時間同樣在20 s左右,而改進(jìn)前的滑油溫度傳感器在65 s響應(yīng)時間內(nèi)仍無法達(dá)到滑油的實際溫度。

對比圖7～圖9中的試驗數(shù)據(jù)可知,整機(jī)試驗中滑油溫度傳感器的響應(yīng)時間略優(yōu)于溫度校準(zhǔn)試驗,其主要原因為,在溫度校準(zhǔn)試驗中,高溫油槽內(nèi)的介質(zhì)是不流動的,而在發(fā)動機(jī)試車過程中,測量的滑油介質(zhì)始終處于流動狀態(tài),介質(zhì)流速增加,傳感器測溫端與滑油介質(zhì)之間的對流換熱更好,響應(yīng)速度必然更快。

4 結(jié)論

本文針對某發(fā)動機(jī)上選用的滑油溫度傳感器導(dǎo)熱誤差大的問題,根據(jù)導(dǎo)熱誤差的產(chǎn)生機(jī)理,對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計,可以得到以下結(jié)論。

① 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測溫偏差共同的影響因素,增加測溫端長度、減小測溫端直徑均能有效提升表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),減小傳感器的測溫偏差。

② 對于測量介質(zhì)溫度不高(一般指低于555 ℃)的傳感器,在實際的工程應(yīng)用中,調(diào)整傳感器測溫端的長徑比是減小測溫偏差最有效的途徑。

③ 本文采用的增加傳感器測溫端長徑比,調(diào)整殼體內(nèi)導(dǎo)熱膠、隔熱膠填充位置的改進(jìn)措施,可大幅提升傳感器的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)測量精度,其中動態(tài)響應(yīng)速度可提升6倍,穩(wěn)態(tài)測溫偏差不大于1%。

④ 改進(jìn)后的滑油溫度傳感器測量一致性良好,相同溫度下傳感器的采集偏差不超過1 ℃。