高温气流温度传感器测温偏差关键影响因素分析

赵 俭，荆卓寅，李亚晋

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

高温气流温度传感器测温偏差关键影响因素分析

赵 俭，荆卓寅，李亚晋

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

为建立航空发动机高温气流温度传感器的数学模型，并给出其典型推荐结构，对高温气流温度传感器在热校准风洞上进行校准，得到不同温度传感器在不同工况条件下的测温偏差，并针对屏蔽罩长径比、冷却介质量、偶丝材料、传感器结构、外壳冷却方式以及偶丝倾角等关键影响因素，对其影响机理进行分析，得到了温度传感器测温偏差的影响规律。结果表明，采用大长径比、单屏蔽、干烧式结构，增大偶丝倾角，采用低导热系数的偶丝材料、以及减少冷却介质量，均可减小温度传感器的测温偏差，当长径比≥5时，温度传感器在1300℃以下的相对测温偏差不超过2.2%。

温度传感器；高温气流；测温偏差；影响因素；航空发动机

0 引言

高温气流温度的准确测量对于评价航空发动机的性能、监控其状态等具有重要意义。受传热损失、不完全滞止等因素影响，高温气流温度传感器在测量时，影响测量结果的因素多、影响机制复杂，因此测量误差往往较大，同时也给高温气流温度传感器的设计造成很大难度。为设计出高准确度的温度传感器，需要对温度传感器的稳态与动态性能进行深入研究，探索关键影响因素及其影响规律。目前国内可以开展温度传感器稳态与动态校准，但针对温度传感器稳态与动态性能的系统深入研究还远远不够，从而影响了航空发动机研制、生产和试验的质量。美国、俄罗斯（前苏联）等国家从20世纪50年代开始，对温度传感器的稳态与动态性能进行了大量的校准试验研究[1]。美国NASA在TP 1099技术报告中，给出了不同系列尺寸的屏蔽式与裸露式热电偶温度传感器的恢复修正系数、辐射修正系数和时间常数的试验结果，并归纳出了部分经验公式，在大量校准试验数据以及误差机理研究的基础上，对航空、航天领域使用的温度范围为室温～1100℃的气流温度传感器进行了规范化[2-3]。本文通过对航空发动机测试领域常用的几种典型高温气流温度传感器进行测温偏差校准，并对校准结果进行分析，得到了温度传感器测温偏差的主要影响因素及其影响规律。

1 研究对象

选取航空发动机测试领域常用的几种典型高温气流温度传感器为研究对象，传感器基本信息见表1。

表1 典型高温气流温度传感器基本信息

TS-3传感器为多点叶型结构，外观如图1（a）所示；TS-5、TS-6、TS-7传感器结构类似，均为单点横向结构，外观如图 1 （b） 所示；TS-8、TS-9、TS-10、TS-11、 TS-12、 TS-13、TS-14传感器结构类似，均为多点梳状结构，外观如图1（c）所示。其中TS-10传感器为裸露式，其余各传感器为单屏蔽式。

2 测温偏差校准

接触式温度传感器在测量高温气流温度时，存在辐射误差、导热误差和速度误差，测温偏差通常为上述3项误差之和[4-6]。

一般可在热校准风洞上进行校准，得到温度传感器的测温偏差。校准时，测温偏差为

式中：Tj为温度传感器指示温度，K；T0为气流总温，K。

由参考温度传感器——双屏吸气偶测得。双屏吸气偶是经过精心设计的高准确度气流温度传感器，具有内、外2层屏蔽罩，敏感元件置于内屏蔽罩内部。利用真空泵抽气，使被测气流高速流过内、外屏蔽罩之间的环形流道，强化气流和内、外屏蔽罩之间的对流换热，提高内、外屏蔽罩的温度，从而减小双屏吸气偶的辐射误差和导热误差。另外，通过设计合理的内屏蔽罩滞止结构，可减小双屏吸气偶的速度误差[7-9]。

校准时，将双屏吸气偶与被校温度传感器安装于热校准风洞试验段的核心区，调整到规定的气流温度、马赫数工况并充分稳定后，采集记录试验数据，并根据式（1）计算被校温度传感器的测温偏差[10]。温度传感器测温偏差校准如图2所示。本文所涉及的温度传感器测温偏差校准均在常压下进行。

3 校准结果与分析

3.1 屏蔽罩长径比对测温偏差的影响

比较气流马赫数0.2条件下，不同长径比温度传感器测温偏差的校准结果。TS-8、TS-14传感器屏蔽罩的长径比为2，TS-11、TS-12传感器屏蔽罩的长径比均为5，而TS-9传感器屏蔽罩的长径比为7。

TS-8、TS-14、TS-11、TS-12 及 TS-9 传感器的测温偏差相对值如图3所示，分别为25.0%～26.7%、11.1%～13.8% 、1.3%～2.0% 、1.2% ～2.2% 和 1.1% ～1.5%。从图中可见，温度传感器的测温偏差随屏蔽罩长径比的增大而减小。产生这种变化的原因为：当屏蔽罩长径比增大时，屏蔽罩的导热热阻增大，导热误差减小，屏蔽罩头部的内壁面温度有所增加，从而使得传感器的辐射误差减小，总的测温偏差亦随之减小。因此，在设计高温气流温度传感器时，为保证其测温偏差足够小，屏蔽罩的长径比应不小于5，但应兼顾传感器的安装问题。

3.2 传感器冷却介质量对测温偏差的影响

TS-14温度传感器为气冷式结构，由于屏蔽罩未采用大长径比，其测温偏差较大。在冷气流量增大时，测温偏差随之增大，而且，气流温度越低，这种影响越大。如图4（a）所示，在气流马赫数为0.2的条件下，当冷却气与主流燃气的质量流量比qc/qg在0.016～0.032范围内变化时，气流温度分别为1000、1200和1400℃时，测温偏差相对值分别增大了2.9%、1.4%和0.5%，这可以理解为气流温度升高时，测温偏差中辐射误差的贡献逐渐增大，导热误差的贡献逐渐减小所致[11]。

TS-13温度传感器亦为气冷式结构，为减小导热误差，采用了较大的长径比，较之传统的水冷式测温耙，该传感器的测温偏差大幅度减小。如图4（b）所示，冷却气与主流燃气的质量流量比qc/qg在0～0.35范围内变化时，温度传感器在同一测量温度下的测温偏差基本保持不变，说明由于长径比足够大，基本上消除了温度传感器的导热误差。

综上，小长径比的温度传感器，冷却介质量对传感器测温偏差有较明显的影响；大长径比（长径比≥5）的温度传感器，由于导热误差基本消除，冷却介质量对传感器无明显影响。

3.3 偶丝材料对测温偏差的影响

TS-3传感器为气冷式叶型温度传感器，屏蔽罩的长径比较小，所以其测温偏差中，导热误差所占比重相对较大（气流温度为1000℃），测点2的测温偏差比测点1、3、5的都要大（测点4为裸露式结构，不参与比较），如图5所示。这是由于测点2采用的是S型热电偶，其余测点采用的是K型热电偶，因S型热电偶丝材料为铂铑10-铂，而K型热电偶丝材料为镍铬-镍硅，铂铑10-铂的导热系数比镍铬-镍硅大得多，所以测点2的导热系数比其它测点要大，导致其测温偏差也大。

在设计高温气流温度传感器时，若屏蔽罩采用小长径比，同时外壳又采用冷却的方式，则在偶丝材料的选择上，需要充分考虑偶丝材料导热系数的影响。此外，如果气流温度较高，预计辐射误差在测温偏差中所占比例将加大，则还需考虑偶丝表面发射率的影响。

3.4 2种结构传感器测温偏差的比较

TS-7、TS-5传感器，分别为裸露干烧式结构和单屏蔽干烧式结构。总体上，裸露干烧式传感器比单屏蔽干烧式传感器的测温偏差大。不同头部结构温度传感器的测温偏差如图6所示。在Ma=0.2时，裸露干烧式传感器与单屏蔽干烧式传感器的相对测温偏差分别为1.0%～5.7%、0.4%～1.1%，二者相差较多；而在Ma=0.5时，裸露干烧式传感器与单屏蔽干烧式传感器的相对测温偏差分别为1.9%～3.8%、2.2%～2.3%，二者相差较少。

由于TS-7传感器与TS-5传感器都是干烧式结构，导热误差较小，辐射误差占较大的比重。增加屏蔽罩对传感器测温偏差有2方面的影响：一是使偶丝接点的环境壁温增大，减小辐射误差，从而减小测温偏差；二是使偶丝接点周围的气流速度减小，偶丝与气流的对流换热系数变小，增大辐射误差和导热误差，从而增大测温偏差[12]。在低马赫数时，由于辐射误差相对较大，屏蔽罩的屏蔽效果显著，所以单屏蔽式传感器的测温偏差明显小于裸露式传感器。而随马赫数的升高，单屏蔽式传感器对流换热系数变小的效应相对比较明显，所以裸露式传感器与单屏蔽式传感器之间测温偏差的差值呈变小的趋势。因此，在设计此类温度传感器时，针对不同的气流马赫数，需要区别考虑。

3.5 外壳冷却方式对测温偏差的影响

TS-6传感器为L型裸露水冷式结构，Ma=0.2时，其相对测温偏差为6.3%～7.4%，比TS-5（单屏蔽干烧式）和TS-7（裸露干烧式）的都大，如图7所示。

虽然TS-6传感器采用了L型结构，增大了长径比，但长径比还不够大，未能达到5，水冷结构导致其导热误差较大。另外，由于采用L型结构，偶丝与气流方向平行，而TS-5传感器和TS-7传感器为直型结构，偶丝与气流方向垂直。偶丝与气流方向平行的情况，对流换热系数相对较小，所以，该传感器在长径比不够大的情况下，L型结构反而增大了其辐射误差和导热误差。上述2个因素均导致传感器的测温偏差变大[13]。

3.6 偶丝倾角对测温偏差的影响

TS-10传感器有8个测点，从传感器的头部到根部，测点编号分别为 1～8，其中中间的测点 3、4、5、6，偶丝与气流方向平行，而靠外的测点2、7，偶丝与气流方向成15°，最外侧的测点1、8，偶丝与气流方向成30°。不同偶丝倾角温度传感器的测温偏差如图8所示。

一般而言，测点8距水冷套最近，导热误差应最大，测点7次之，但从图8中可见，测点8和测点7的相对测温偏差分别为13.0%～16.3%和15.1%～17.5%，而测点5的相对测温偏差为17.5%～19.2%，测点8的测温偏差反而更小[14]。这是由于偶丝与气流成一定倾角后，努塞尔数Nu变大导致对流换热系数变大，从而使辐射误差和导热误差变小所致[15]。

4 结论

（1）屏蔽罩长径比≥5时，温度传感器的测温偏差大幅度减小，气流温度在1300℃以下时，温度传感器的相对测温偏差不超过2.2%。

（2）长径比＜5的温度传感器，冷却介质量对传感器测温偏差有较明显的影响，随冷却介质量的增大，测温偏差增大；长径比≥5的温度传感器，冷却介质量对传感器测温偏差的影响不明显。

（3）导热误差占优时，S型热电偶的测温偏差大于K型热电偶的。

（4）裸露干烧式温度传感器的测温偏差大于单屏蔽干烧式温度传感器的，在高马赫数时，二者之间的差异减小。

（5）水冷式温度传感器的测温偏差大于干烧式温度传感器的，如水冷式温度传感器采用L型结构，在长径比＜5的情况下，仍不能改变这种趋势。

（6）适当增大偶丝与气流的倾角，会减小温度传感器的测温偏差。

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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

赵俭（1973），男，高级工程师，从事动态温度校准、特殊条件下的温度测量工作；E-mail：zhaojianbj73@sina.com。

赵俭，荆卓寅，李亚晋.高温气流温度传感器测温偏差关键影响因素分析[J].航空发动机，2017，43（3）：78-82.ZHAOJian,JINGZhuoyin,LIYajin.Analysisofkeyinfluencingfactorsontemperaturemeasuringdeviationofhightemperaturegassensors[J].Aeroengine，2017，43（3）：78-82.

（编辑：赵明菁）