趙 儉，荊卓寅，李亞晉

（中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

高溫氣流溫度傳感器測溫偏差關(guān)鍵影響因素分析

趙 儉，荊卓寅，李亞晉

（中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

為建立航空發(fā)動機(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溫偏差，并針對屏蔽罩長徑比、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，對其影響機(jī)理進(jìn)行分析，得到了溫度傳感器測溫偏差的影響規(guī)律。結(jié)果表明，采用大長徑比、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溫偏差，當(dāng)長徑比≥5時，溫度傳感器在1300℃以下的相對測溫偏差不超過2.2%。

溫度傳感器；高溫氣流；測溫偏差；影響因素；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

高溫氣流溫度的準(zhǔn)確測量對于評價航空發(fā)動機(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量時，影響測量結(jié)果的因素多、影響機(jī)制復(fù)雜，因此測量誤差往往較大，同時也給高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計造成很大難度。為設(shè)計出高準(zhǔn)確度的溫度傳感器，需要對溫度傳感器的穩(wěn)態(tài)與動態(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。目前國內(nèi)可以開展溫度傳感器穩(wěn)態(tài)與動態(tài)校準(zhǔn)，但針對溫度傳感器穩(wěn)態(tài)與動態(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)動機(jī)研制、生產(chǎn)和試驗的質(zhì)量。美國、俄羅斯（前蘇聯(lián)）等國家從20世紀(jì)50年代開始，對溫度傳感器的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能進(jìn)行了大量的校準(zhǔn)試驗研究[1]。美國NASA在TP 1099技術(shù)報告中，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)和時間常數(shù)的試驗結(jié)果，并歸納出了部分經(jīng)驗公式，在大量校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)以及誤差機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對航空、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]。本文通過對航空發(fā)動機(jī)測試領(lǐng)域常用的幾種典型高溫氣流溫度傳感器進(jìn)行測溫偏差校準(zhǔn)，并對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到了溫度傳感器測溫偏差的主要影響因素及其影響規(guī)律。

1 研究對象

選取航空發(fā)動機(jī)測試領(lǐng)域常用的幾種典型高溫氣流溫度傳感器為研究對象，傳感器基本信息見表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 測溫偏差校準(zhǔn)

接觸式溫度傳感器在測量高溫氣流溫度時，存在輻射誤差、導(dǎo)熱誤差和速度誤差，測溫偏差通常為上述3項誤差之和[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溫偏差。校準(zhǔn)時，測溫偏差為

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——雙屏吸氣偶測得。雙屏吸氣偶是經(jīng)過精心設(shè)計的高準(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，使被測氣流高速流過內(nèi)、外屏蔽罩之間的環(huán)形流道，強化氣流和內(nèi)、外屏蔽罩之間的對流換熱，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，通過設(shè)計合理的內(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，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，采集記錄試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)式（1）計算被校溫度傳感器的測溫偏差[10]。溫度傳感器測溫偏差校準(zhǔn)如圖2所示。本文所涉及的溫度傳感器測溫偏差校準(zhǔn)均在常壓下進(jìn)行。

3 校準(zhǔn)結(jié)果與分析

3.1 屏蔽罩長徑比對測溫偏差的影響

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

TS-8、TS-14、TS-11、TS-12 及 TS-9 傳感器的測溫偏差相對值如圖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，溫度傳感器的測溫偏差隨屏蔽罩長徑比的增大而減小。產(chǎn)生這種變化的原因為：當(dāng)屏蔽罩長徑比增大時，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，總的測溫偏差亦隨之減小。因此，在設(shè)計高溫氣流溫度傳感器時，為保證其測溫偏差足夠小，屏蔽罩的長徑比應(yīng)不小于5，但應(yīng)兼顧傳感器的安裝問題。

3.2 傳感器冷卻介質(zhì)量對測溫偏差的影響

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徑比，其測溫偏差較大。在冷氣流量增大時，測溫偏差隨之增大，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，氣流溫度分別為1000、1200和1400℃時，測溫偏差相對值分別增大了2.9%、1.4%和0.5%，這可以理解為氣流溫度升高時，測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，采用了較大的長徑比，較之傳統(tǒng)的水冷式測溫耙，該傳感器的測溫偏差大幅度減小。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，溫度傳感器在同一測量溫度下的測溫偏差基本保持不變，說明由于長徑比足夠大，基本上消除了溫度傳感器的導(dǎo)熱誤差。

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

3.3 偶絲材料對測溫偏差的影響

TS-3傳感器為氣冷式葉型溫度傳感器，屏蔽罩的長徑比較小，所以其測溫偏差中，導(dǎo)熱誤差所占比重相對較大（氣流溫度為1000℃），測點2的測溫偏差比測點1、3、5的都要大（測點4為裸露式結(jié)構(gòu)，不參與比較），如圖5所示。這是由于測點2采用的是S型熱電偶，其余測點采用的是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，所以測點2的導(dǎo)熱系數(shù)比其它測點要大，導(dǎo)致其測溫偏差也大。

在設(shè)計高溫氣流溫度傳感器時，若屏蔽罩采用小長徑比，同時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)計輻射誤差在測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溫偏差大。不同頭部結(jié)構(gòu)溫度傳感器的測溫偏差如圖6所示。在Ma=0.2時，裸露干燒式傳感器與單屏蔽干燒式傳感器的相對測溫偏差分別為1.0%～5.7%、0.4%～1.1%，二者相差較多；而在Ma=0.5時，裸露干燒式傳感器與單屏蔽干燒式傳感器的相對測溫偏差分別為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。增加屏蔽罩對傳感器測溫偏差有2方面的影響：一是使偶絲接點的環(huán)境壁溫增大，減小輻射誤差，從而減小測溫偏差；二是使偶絲接點周圍的氣流速度減小，偶絲與氣流的對流換熱系數(shù)變小，增大輻射誤差和導(dǎo)熱誤差，從而增大測溫偏差[12]。在低馬赫數(shù)時，由于輻射誤差相對較大，屏蔽罩的屏蔽效果顯著，所以單屏蔽式傳感器的測溫偏差明顯小于裸露式傳感器。而隨馬赫數(shù)的升高，單屏蔽式傳感器對流換熱系數(shù)變小的效應(yīng)相對比較明顯，所以裸露式傳感器與單屏蔽式傳感器之間測溫偏差的差值呈變小的趨勢。因此，在設(shè)計此類溫度傳感器時，針對不同的氣流馬赫數(shù)，需要區(qū)別考慮。

3.5 外殼冷卻方式對測溫偏差的影響

TS-6傳感器為L型裸露水冷式結(jié)構(gòu)，Ma=0.2時，其相對測溫偏差為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)，增大了長徑比，但長徑比還不夠大，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，對流換熱系數(shù)相對較小，所以，該傳感器在長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個因素均導(dǎo)致傳感器的測溫偏差變大[13]。

3.6 偶絲傾角對測溫偏差的影響

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

一般而言，測點8距水冷套最近，導(dǎo)熱誤差應(yīng)最大，測點7次之，但從圖8中可見，測點8和測點7的相對測溫偏差分別為13.0%～16.3%和15.1%～17.5%，而測點5的相對測溫偏差為17.5%～19.2%，測點8的測溫偏差反而更小[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）屏蔽罩長徑比≥5時，溫度傳感器的測溫偏差大幅度減小，氣流溫度在1300℃以下時，溫度傳感器的相對測溫偏差不超過2.2%。

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

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

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

（5）水冷式溫度傳感器的測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)，在長徑比＜5的情況下，仍不能改變這種趨勢。

（6）適當(dāng)增大偶絲與氣流的傾角，會減小溫度傳感器的測溫偏差。

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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，高級工程師，從事動態(tài)溫度校準(zhǔn)、特殊條件下的溫度測量工作；E-mail：zhaojianbj73@sina.com。

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

（編輯：趙明菁）