某風洞總溫探頭設計

沈陽儀表科學研究院有限公司 李廣恒 李永清 張 茜 彭春文 金 琦 高 躍

本文講述了用于風洞總溫排架校測探頭的設計理念，通過對結構和工藝進行分析，具體說明了此款溫度傳感器的技術難點與解決方案，并對其效益進行了分析。

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

1 應用背景

此溫度傳感器應用于氣動院某風洞溫度場校測，目的主要是：確定試驗段溫度均勻區范圍和溫度場品質，同時確定從穩定段到試驗段的總溫損失。

2 工作原理

熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在Seebeck電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，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恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表，分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，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，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產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，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。溫度傳感器正是利用熱電偶的溫度特性而設計的。熱電偶工作原理圖如圖1所示。

圖1 溫度傳感器原理圖

3 結構設計

熱電偶的基本結構是熱電極、絕緣材料和保護管。在現場使用中根據環境、被測介質等多種因素研制成適合各種環境的熱電偶。傳感器結構如圖2所示。

圖2 溫度傳感器結構示意圖

316L是含鉬不銹鋼種，具有良好的耐溫、防腐性能，可長期使用。本設計方案 中，熱電偶偶絲、外保護管、壓緊螺母、鎖緊螺母等部件全部采用316L加工制作，從而使傳感器整機具有優良的耐溫、防腐、剛度特性。熱電極采用一級鎳鉻—鎳硅合金絲，偶絲直徑為1mm，連續工作溫度可達1200℃以上。熱電偶絲采用磁珠與不銹鋼護管絕緣隔離，并用耐高溫無機膠加以封裝固定。引線采用壓緊的方式進行固定。

4 工藝設計

裝配結構對傳感器的性能影響至關重要，按照技術指標規定的外形尺寸，保證傳感器的測試精度不受結構影響，必須對整個傳感器的設計提供結構上的保證。為此，我們在裝配結構的設計上，偶絲穿過磁珠與不銹鋼護管之間相互之間絕緣隔離，并用耐高溫無機膠加以封裝固定。鎖緊螺母通過壓環與傳感器外保護管鎖緊，螺紋口加注耐高溫無機膠防止螺紋松動。

關鍵工藝點和質控點：

傳感器生產的關鍵工藝見圖中黑體部分，關鍵質量控制點是精度測試和環境試驗后的出廠檢驗。關鍵工序的主要工作內容如下：

加工件檢驗：嚴格按機械圖紙要求對全部機加零部件進行入廠檢驗。

整機組裝：將偶絲、外保護管等部件按工藝要求固定封裝。

整機老化：將組裝后的整機進行通電老化、高低溫溫場老化。

精度測試：根據溫度傳感器的工作范圍，反復考核、測試傳感器的實測精度。

環境試驗：對傳感器進行溫度沖擊、振動等項試驗項目，考核傳感器的穩定性。

出廠檢驗：對傳感器進行綜合的性能指標測試，根據測試結果，判定產品是否合格。

5 技術難點

本項目溫度傳感器與工業用溫度傳感器的主要區別是傳感器應能滿足振動、沖擊等環境試驗的要求，歸納傳感器的技術難點，主要包括以下幾個方面：

5.1 傳感器的抗振動設計要求

本項目溫度傳感器在無包裝，在水平放置、旋轉90o水平放置、垂直放置三個不同方向，三個不同方向分別進行振動頻率為80Hz、120Hz、150Hz定頻振動試驗，加速度35g，傳感器的輸出變化量應不大于±5mV。試驗后，檢測傳感器的靜態技術指標，應滿足詳細規范要求。

5.2 傳感器的耐溫設計要求

由于溫度傳感器處于高溫氣體工作環境，要求溫度傳感器整機具有良好的適應高溫工作環境的特性，因此，在傳感器外保護管、偶絲、內部固定封裝結構等方面，均應滿足適應高溫工作環境的使用要求。

6 技術難點解決措施

6.1 傳感器的抗振動設計

為滿足抗振動（35g）沖擊（100g）的要求，傳感器外保護管及連接件全部采用316L不銹鋼結構。偶絲直徑為1mm，采用耐溫磁珠及高強度、耐高溫無機膠將偶絲封裝固定在不銹鋼護管內。所選高溫無機膠系硅酸鹽氧化物耐高溫膠粘劑，固化后堅硬如石，抗拉伸強度高達35Mpa，封裝之后，傳感器整機可完全滿足抗振動、沖擊設計要求。

6.2 傳感器耐溫防護設計

傳感器外保護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1200℃。偶絲外采用耐溫磁珠及高溫無機膠將偶絲封裝固定在不銹鋼護管內，所選高溫無機膠系硅酸鹽氧化物耐高溫膠粘劑，使用溫度可達1500℃，同時具備耐油、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境的要求。

7 新品特點

該產品關鍵技術全部為自有知識產權，產品性能主要體現在高可靠、抗振動耐高溫等環境試驗的要求。傳感器從設計原理到結構設計均以耐惡劣環境要求為基本出發點。本項目溫度傳感器具有如下技術特點。

7.1 測量精度高

本技術方案采用一級鎳鉻—鎳硅K型偶絲，在測溫范圍內，測量精度達±1.5℃，可完全滿足現場測溫準確度要求。

7.2 熱響應時間快

熱電偶偶絲通過外保護管窗口與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響，對溫度變化反應靈敏。

7.3 測量范圍大

溫度傳感器從273到900K，均可連續測溫。

7.4 高可靠、抗振動

傳感器外保護管及連接件全部采用316L不銹鋼結構。偶絲采用耐高溫陶瓷管及高強度、耐高溫無機膠將偶絲封裝固定在不銹鋼護管內。所選高溫無機膠系硅酸鹽氧化物耐高溫膠粘劑，使用溫度可達1500℃，固化后堅硬如石，抗拉伸強度高達35Mpa，同時具備耐油、耐水、耐弱酸、弱堿等特性，以及良好的高溫絕緣性能。

8 供應能力及經濟效益簡析

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