某风洞总温探头设计

沈阳仪表科学研究院有限公司 李广恒 李永清 张 茜 彭春文 金 琦 高 跃

本文讲述了用于风洞总温排架校测探头的设计理念，通过对结构和工艺进行分析，具体说明了此款温度传感器的技术难点与解决方案，并对其效益进行了分析。

风洞被称为“航空航天飞行器的摇篮”，被世界各国视为重要的战略资源。此款温度传感器正是应用于风洞温度场的校测。

1 应用背景

此温度传感器应用于气动院某风洞温度场校测，目的主要是：确定试验段温度均匀区范围和温度场品质，同时确定从稳定段到试验段的总温损失。

2 工作原理

热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在Seebeck电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。温度传感器正是利用热电偶的温度特性而设计的。热电偶工作原理图如图1所示。

图1 温度传感器原理图

3 结构设计

热电偶的基本结构是热电极、绝缘材料和保护管。在现场使用中根据环境、被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。传感器结构如图2所示。

图2 温度传感器结构示意图

316L是含钼不锈钢种，具有良好的耐温、防腐性能，可长期使用。本设计方案 中，热电偶偶丝、外保护管、压紧螺母、锁紧螺母等部件全部采用316L加工制作，从而使传感器整机具有优良的耐温、防腐、刚度特性。热电极采用一级镍铬—镍硅合金丝，偶丝直径为1mm，连续工作温度可达1200℃以上。热电偶丝采用磁珠与不锈钢护管绝缘隔离，并用耐高温无机胶加以封装固定。引线采用压紧的方式进行固定。

4 工艺设计

装配结构对传感器的性能影响至关重要，按照技术指标规定的外形尺寸，保证传感器的测试精度不受结构影响，必须对整个传感器的设计提供结构上的保证。为此，我们在装配结构的设计上，偶丝穿过磁珠与不锈钢护管之间相互之间绝缘隔离，并用耐高温无机胶加以封装固定。锁紧螺母通过压环与传感器外保护管锁紧，螺纹口加注耐高温无机胶防止螺纹松动。

关键工艺点和质控点：

传感器生产的关键工艺见图中黑体部分，关键质量控制点是精度测试和环境试验后的出厂检验。关键工序的主要工作内容如下：

加工件检验：严格按机械图纸要求对全部机加零部件进行入厂检验。

整机组装：将偶丝、外保护管等部件按工艺要求固定封装。

整机老化：将组装后的整机进行通电老化、高低温温场老化。

精度测试：根据温度传感器的工作范围，反复考核、测试传感器的实测精度。

环境试验：对传感器进行温度冲击、振动等项试验项目，考核传感器的稳定性。

出厂检验：对传感器进行综合的性能指标测试，根据测试结果，判定产品是否合格。

5 技术难点

本项目温度传感器与工业用温度传感器的主要区别是传感器应能满足振动、冲击等环境试验的要求，归纳传感器的技术难点，主要包括以下几个方面：

5.1 传感器的抗振动设计要求

本项目温度传感器在无包装，在水平放置、旋转90º水平放置、垂直放置三个不同方向，三个不同方向分别进行振动频率为80Hz、120Hz、150Hz定频振动试验，加速度35g，传感器的输出变化量应不大于±5mV。试验后，检测传感器的静态技术指标，应满足详细规范要求。

5.2 传感器的耐温设计要求

由于温度传感器处于高温气体工作环境，要求温度传感器整机具有良好的适应高温工作环境的特性，因此，在传感器外保护管、偶丝、内部固定封装结构等方面，均应满足适应高温工作环境的使用要求。

6 技术难点解决措施

6.1 传感器的抗振动设计

为满足抗振动（35g）冲击（100g）的要求，传感器外保护管及连接件全部采用316L不锈钢结构。偶丝直径为1mm，采用耐温磁珠及高强度、耐高温无机胶将偶丝封装固定在不锈钢护管内。所选高温无机胶系硅酸盐氧化物耐高温胶粘剂，固化后坚硬如石，抗拉伸强度高达35Mpa，封装之后，传感器整机可完全满足抗振动、冲击设计要求。

6.2 传感器耐温防护设计

传感器外保护管及连接件全部采用316L不锈钢加工制作，316L不锈钢和同类不锈钢材料相比，具有更好的耐高温性能，可在1000K温度环境长期使用。K偶偶丝采用镍铬—镍硅加工制作，偶丝具有良好的耐温性能，最高工作温度可达1200℃。偶丝外采用耐温磁珠及高温无机胶将偶丝封装固定在不锈钢护管内，所选高温无机胶系硅酸盐氧化物耐高温胶粘剂，使用温度可达1500℃，同时具备耐油、耐水、耐弱酸、弱碱等特性，以及良好的高温绝缘性能。通过采取上述措施，可使传感器满足高温工作环境的要求。

7 新品特点

该产品关键技术全部为自有知识产权，产品性能主要体现在高可靠、抗振动耐高温等环境试验的要求。传感器从设计原理到结构设计均以耐恶劣环境要求为基本出发点。本项目温度传感器具有如下技术特点。

7.1 测量精度高

本技术方案采用一级镍铬—镍硅K型偶丝，在测温范围内，测量精度达±1.5℃，可完全满足现场测温准确度要求。

7.2 热响应时间快

热电偶偶丝通过外保护管窗口与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，对温度变化反应灵敏。

7.3 测量范围大

温度传感器从273到900K，均可连续测温。

7.4 高可靠、抗振动

传感器外保护管及连接件全部采用316L不锈钢结构。偶丝采用耐高温陶瓷管及高强度、耐高温无机胶将偶丝封装固定在不锈钢护管内。所选高温无机胶系硅酸盐氧化物耐高温胶粘剂，使用温度可达1500℃，固化后坚硬如石，抗拉伸强度高达35Mpa，同时具备耐油、耐水、耐弱酸、弱碱等特性，以及良好的高温绝缘性能。

8 供应能力及经济效益简析

测温传感器除本项目配套的总温排架测温使用该产品外，在其它位置控制和测量场合均有该产品的应用场合。该传感器设计的可靠性和抗冲击性能可满足许多恶劣场合下使用，应用范围十分广泛。该温度传感器每年可保证3000只以上的生产供货能力。