王振廷， 齊 娜， 賀天昊， 韓 帥

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，其產(chǎn)品的升級(jí)換代速度也在不斷上升，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件要求也越來越苛刻。航空航天用溫度傳感器不但要求測量準(zhǔn)確，還需要具備抗震、抗熱流沖擊、工作溫度寬等特點(diǎn)[1,2]。目前，測量高溫氣體的方式通常有熱電偶、紅外測溫儀、紅外熱像儀三種類型。熱電偶溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、量程范圍寬等特點(diǎn)[2,3]，相比于其他類型的高溫傳感器，熱電偶溫度傳感器更適合于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道的溫度測量,能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)一種高可靠密封結(jié)構(gòu)的高溫溫度傳感器，采用Z型外殼結(jié)構(gòu)減少高溫氣流對傳感器探頭熱電偶絲沖擊，利用玻璃漿燒結(jié)方式保證探頭內(nèi)部與外界空氣隔絕，起到良好的密封作用，同時(shí)能夠在熱電偶絲與探頭外殼壁間起到絕緣作用[4]。

1 傳感器工作原理

溫度傳感器總體由傳感器探頭、補(bǔ)償導(dǎo)線、變換器組成，外界溫度信號(hào)通過傳感器探頭轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過補(bǔ)償導(dǎo)線將探頭端的信號(hào)傳遞給溫度變換器，變換器將探頭端電壓信號(hào)進(jìn)行處理及放大并輸出滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)[5,6]。傳感器工作原理框圖如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理框圖

傳感器敏感元件選用抗環(huán)境性能好的K型熱電偶作為感溫元件，由于熱電偶溫度傳感器是測量端與參考端的溫差，因此在參考端需要使用鉑電阻進(jìn)行冷端補(bǔ)償[7]。如圖1所示，經(jīng)過補(bǔ)償?shù)臏囟刃盘?hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路及濾波電路通后送給后端數(shù)字處理電路。敏感元件是整個(gè)傳感器的核心器件，傳感器進(jìn)氣口為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣端的高溫氣體，具有高溫、高壓、高速的特點(diǎn)，對后端偶絲及焊點(diǎn)易形成破壞性沖擊，因此，對敏感元件的保護(hù)是高溫氣體溫度傳感器的研究重點(diǎn)。

2 傳感器探頭外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通?？諝鉁囟葌鞲衅鞯奶筋^為“鳥籠”結(jié)構(gòu)傳感器，如圖2所示，熱電偶偶絲安裝在外殼中間，空氣通過外殼的空隙進(jìn)入探頭內(nèi)部，從而熱電偶偶絲直接受到氣流沖擊。

圖2 熱電偶空氣溫度傳感器探頭外殼

熱電偶偶絲本身相對脆弱，如果氣流流速較大，流速超過3.5馬赫時(shí)，熱電偶偶絲極易發(fā)生斷裂，造成物理性破壞。因此本設(shè)計(jì)采用Z型結(jié)構(gòu)外殼，對高溫氣流起到很好緩沖作用，如圖3所示，Z型外殼結(jié)構(gòu)的高溫溫度傳感器。從而可以提高傳感器探頭的可靠性。

圖3 Z型外殼結(jié)構(gòu)示意

3 探頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用Z型外殼結(jié)構(gòu)的高溫溫度傳感器探頭，高溫氣體通過進(jìn)氣口進(jìn)入探頭內(nèi)部，將直接垂直流向探頭后端，高溫的氣流會(huì)對后端的焊點(diǎn)及補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生影響。因此需要進(jìn)行耐高溫密封保護(hù)。本設(shè)計(jì)采用在距離偶絲測溫點(diǎn)7 mm處利用玻璃漿燒結(jié)的方式阻斷高溫氣體進(jìn)入探頭內(nèi)部，同時(shí)探頭絕緣盒底灌封高溫膠，對偶絲、焊點(diǎn)、補(bǔ)償導(dǎo)線起到二次密封、固定的作用，從而達(dá)到了探頭內(nèi)部及后端與外界徹底隔絕的沒目的。

3.1 玻璃漿燒結(jié)密封結(jié)構(gòu)

在探頭護(hù)管、瓷管之間使用玻璃漿進(jìn)行燒結(jié)密封，如圖4所示，將瓷管安裝在兩對熱電偶上，瓷管外壁上均勻涂高溫膠，安裝在偶絲護(hù)管內(nèi)并固定，將兩對熱電偶安裝在偶絲護(hù)管組件內(nèi)，靠近熱電偶測量端(瓷管與熱電偶間隙、瓷管與偶絲護(hù)管的結(jié)合端)的端面上灌封玻璃漿。

圖4 探頭密封結(jié)構(gòu)

燒結(jié)用玻璃漿采用硼、鋁、硅材料玻璃漿料，玻璃在燒結(jié)過程中會(huì)析出一定量晶體，使玻璃的高溫粘度上升，結(jié)構(gòu)致密度增大，繼而使原漿的附著力提高，但制備起來比較困難，玻璃粉可以起到粘接和保護(hù)導(dǎo)電相的作用，同時(shí)避免水、空氣及一些酸堿物質(zhì)的腐蝕[8,9]。

燒結(jié)前玻璃漿應(yīng)高出端面1～2 mm，將其置入坩堝爐膛內(nèi)燒結(jié)，通入保護(hù)氣體，保護(hù)氣可以為氬氣或氦氣，燒結(jié)溫度設(shè)置在650～700 ℃之間。待玻璃形成無氣泡的玻璃液，恒溫時(shí)間不低于40 min，在此期間使玻璃漿處于液態(tài)，最后隨爐自然冷卻使玻璃漿凝結(jié)成固態(tài)玻璃狀。當(dāng)爐溫低于60 ℃時(shí)取出，觀察玻璃漿粉部位的燒結(jié)表面應(yīng)封堵完好，玻璃釉熔化均勻。

3.2 高溫膠灌封結(jié)構(gòu)

熱電偶絲共分為4股，每股屏蔽線須進(jìn)行處理，探頭處總屏蔽線焊接到焊片上，焊接時(shí)使用焊錫進(jìn)行焊接。將補(bǔ)償導(dǎo)線截取適當(dāng)長度，補(bǔ)償導(dǎo)線可以用硅橡膠自粘帶纏繞保護(hù)。絕緣盒底內(nèi)固定好熱電偶絲后使用TS747高溫膠進(jìn)行灌封，灌膠部位包括焊片等各部位。灌滿后，安裝絕緣蓋、盒蓋，分別用探頭螺釘固定在盒底上，放入干燥箱內(nèi)封干。

4 變換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變換器由壓板、鉑電阻、螺釘、電路盒蓋、電路組件、絕緣盒底、絕緣蓋、螺釘、補(bǔ)償導(dǎo)線組成，探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5所示。

圖5 變換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

鉑電阻通過導(dǎo)線焊接到電路板上，將鉑電阻涂膠，固定在壓板下方的電路盒底側(cè)壁上，四周及保護(hù)熱縮管涂GD414膠進(jìn)行加固，探頭電纜線穿入電路盒底，探頭引出線與電路板上高溫導(dǎo)線之間采用氬弧焊焊接，電路板用電路盒螺釘固定。電連接器引線應(yīng)置入電路板中間，電連接器固定到電路盒底上。

5 傳感器電路設(shè)計(jì)

熱電偶絲感受溫度信號(hào)后，輸出差分形式的電信號(hào)，電路板接到電信號(hào)后進(jìn)行差分放大后與鉑電阻接入電路后轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)做加法，在經(jīng)過放大后得到標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)值,如圖6所示。

圖6 溫度傳感器電路

電路采用正負(fù)電源供電，供電端有限流電阻即二極管保護(hù)，橋壁電路采用2.5 V電壓供電，通過AD580電壓基準(zhǔn)得到標(biāo)準(zhǔn)電壓。差分放大電路采用超低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器，其失調(diào)電壓低、輸入偏置電流低、開環(huán)增益高，對電路起到很好的放大作用。

6 實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證探頭可靠性，利用振動(dòng)試驗(yàn)代替高速氣流沖擊，準(zhǔn)備3只傳感器，編號(hào)為1#～3#。將傳感器探頭與變換器連接，傳感器正常供電，振動(dòng)功能試驗(yàn)在均方根值16.1gn，頻率最高2 000 Hz的振動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)束后通過測量誤差檢查傳感器性能指標(biāo)。

將傳感器探頭置于標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境條件下，在達(dá)到0，50，100，150，200，300，400，500，600，700 ℃時(shí)，平衡20 min，用繁用表電壓檔測量傳感器輸出電壓值，根據(jù)式(1)計(jì)算基本誤差。計(jì)算傳感器基本誤差[10]為

(1)

式中S為基本誤差，%FS；Ui為第i個(gè)測量點(diǎn)實(shí)際輸出值(i=1,2,3,4,5)，V；USi為第i個(gè)測量點(diǎn)理論輸出值(i=1,2,3,4,5)，由式(1)確定，V；UFS為滿量程輸出，V。各測試點(diǎn)測試值見表1。

表1 測試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，測量0，50，100，150，200，300，400，500，600，700 ℃的10個(gè)溫度點(diǎn)，最大誤差僅為0.89 %FS,全溫區(qū)最大誤差不大于1 %FS。

7 結(jié) 論

本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)來流溫度的具體應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種高可靠密封結(jié)構(gòu)的高溫溫度傳感器。采用Z型外殼結(jié)構(gòu)和溫度玻璃漿燒結(jié)方式的方式，解決了高溫環(huán)境下溫度傳感器可靠性差、密封不好的問題，保證了探頭內(nèi)部與外界空氣隔絕，同時(shí)能夠在熱電偶絲與探頭外殼壁間起到絕緣作用。結(jié)果表明:在被測溫度-60～+700 ℃范圍內(nèi)，傳感器基本誤差不大于1 %FS。因此，本設(shè)計(jì)具有可靠性高、密封性好，更適合高溫氣體測量的特點(diǎn)，能夠保證傳感器在惡劣環(huán)境下長時(shí)間高可靠的進(jìn)行溫度測量。