高可靠密封结构的高温温度传感器设计

2021-06-07 05:27王振廷贺天昊
传感器与微系统 2021年5期
关键词:热电偶温度传感器外壳

王振廷, 齐 娜, 贺天昊, 韩 帅

(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

随着航空航天领域的不断发展,其产品的升级换代速度也在不断上升,对航空发动机工作条件要求也越来越苛刻。航空航天用温度传感器不但要求测量准确,还需要具备抗震、抗热流冲击、工作温度宽等特点[1,2]。目前,测量高温气体的方式通常有热电偶、红外测温仪、红外热像仪三种类型。热电偶温度传感器具有结构简单、精度高、量程范围宽等特点[2,3],相比于其他类型的高温传感器,热电偶温度传感器更适合于航空航天发动机进气管道的温度测量,能够满足发动机的使用环境。

本文设计一种高可靠密封结构的高温温度传感器,采用Z型外壳结构减少高温气流对传感器探头热电偶丝冲击,利用玻璃浆烧结方式保证探头内部与外界空气隔绝,起到良好的密封作用,同时能够在热电偶丝与探头外壳壁间起到绝缘作用[4]。

1 传感器工作原理

温度传感器总体由传感器探头、补偿导线、变换器组成,外界温度信号通过传感器探头转换为电压信号,通过补偿导线将探头端的信号传递给温度变换器,变换器将探头端电压信号进行处理及放大并输出满足要求的标准电压信号[5,6]。传感器工作原理框图如图1所示。

图1 传感器工作原理框图

传感器敏感元件选用抗环境性能好的K型热电偶作为感温元件,由于热电偶温度传感器是测量端与参考端的温差,因此在参考端需要使用铂电阻进行冷端补偿[7]。如图1所示,经过补偿的温度信号经过信号调理电路及滤波电路通后送给后端数字处理电路。敏感元件是整个传感器的核心器件,传感器进气口为发动机进气端的高温气体,具有高温、高压、高速的特点,对后端偶丝及焊点易形成破坏性冲击,因此,对敏感元件的保护是高温气体温度传感器的研究重点。

2 传感器探头外壳结构设计

通常空气温度传感器的探头为“鸟笼”结构传感器,如图2所示,热电偶偶丝安装在外壳中间,空气通过外壳的空隙进入探头内部,从而热电偶偶丝直接受到气流冲击。

图2 热电偶空气温度传感器探头外壳

热电偶偶丝本身相对脆弱,如果气流流速较大,流速超过3.5马赫时,热电偶偶丝极易发生断裂,造成物理性破坏。因此本设计采用Z型结构外壳,对高温气流起到很好缓冲作用,如图3所示,Z型外壳结构的高温温度传感器。从而可以提高传感器探头的可靠性。

图3 Z型外壳结构示意

3 探头密封结构设计

采用Z型外壳结构的高温温度传感器探头,高温气体通过进气口进入探头内部,将直接垂直流向探头后端,高温的气流会对后端的焊点及补偿导线产生影响。因此需要进行耐高温密封保护。本设计采用在距离偶丝测温点7 mm处利用玻璃浆烧结的方式阻断高温气体进入探头内部,同时探头绝缘盒底灌封高温胶,对偶丝、焊点、补偿导线起到二次密封、固定的作用,从而达到了探头内部及后端与外界彻底隔绝的没目的。

3.1 玻璃浆烧结密封结构

在探头护管、瓷管之间使用玻璃浆进行烧结密封,如图4所示,将瓷管安装在两对热电偶上,瓷管外壁上均匀涂高温胶,安装在偶丝护管内并固定,将两对热电偶安装在偶丝护管组件内,靠近热电偶测量端(瓷管与热电偶间隙、瓷管与偶丝护管的结合端)的端面上灌封玻璃浆。

图4 探头密封结构

烧结用玻璃浆采用硼、铝、硅材料玻璃浆料,玻璃在烧结过程中会析出一定量晶体,使玻璃的高温粘度上升,结构致密度增大,继而使原浆的附着力提高,但制备起来比较困难,玻璃粉可以起到粘接和保护导电相的作用,同时避免水、空气及一些酸碱物质的腐蚀[8,9]。

烧结前玻璃浆应高出端面1~2 mm,将其置入坩埚炉膛内烧结,通入保护气体,保护气可以为氩气或氦气,烧结温度设置在650~700 ℃之间。待玻璃形成无气泡的玻璃液,恒温时间不低于40 min,在此期间使玻璃浆处于液态,最后随炉自然冷却使玻璃浆凝结成固态玻璃状。当炉温低于60 ℃时取出,观察玻璃浆粉部位的烧结表面应封堵完好,玻璃釉熔化均匀。

3.2 高温胶灌封结构

热电偶丝共分为4股,每股屏蔽线须进行处理,探头处总屏蔽线焊接到焊片上,焊接时使用焊锡进行焊接。将补偿导线截取适当长度,补偿导线可以用硅橡胶自粘带缠绕保护。绝缘盒底内固定好热电偶丝后使用TS747高温胶进行灌封,灌胶部位包括焊片等各部位。灌满后,安装绝缘盖、盒盖,分别用探头螺钉固定在盒底上,放入干燥箱内封干。

4 变换器结构设计

变换器由压板、铂电阻、螺钉、电路盒盖、电路组件、绝缘盒底、绝缘盖、螺钉、补偿导线组成,探头内部结构见图5所示。

图5 变换器内部结构

铂电阻通过导线焊接到电路板上,将铂电阻涂胶,固定在压板下方的电路盒底侧壁上,四周及保护热缩管涂GD414胶进行加固,探头电缆线穿入电路盒底,探头引出线与电路板上高温导线之间采用氩弧焊焊接,电路板用电路盒螺钉固定。电连接器引线应置入电路板中间,电连接器固定到电路盒底上。

5 传感器电路设计

热电偶丝感受温度信号后,输出差分形式的电信号,电路板接到电信号后进行差分放大后与铂电阻接入电路后转换的电压信号做加法,在经过放大后得到标准的信号值,如图6所示。

图6 温度传感器电路

电路采用正负电源供电,供电端有限流电阻即二极管保护,桥壁电路采用2.5 V电压供电,通过AD580电压基准得到标准电压。差分放大电路采用超低失调电压运算放大器,其失调电压低、输入偏置电流低、开环增益高,对电路起到很好的放大作用。

6 实验测试

为验证探头可靠性,利用振动试验代替高速气流冲击,准备3只传感器,编号为1#~3#。将传感器探头与变换器连接,传感器正常供电,振动功能试验在均方根值16.1gn,频率最高2 000 Hz的振动环境下进行,试验结束后通过测量误差检查传感器性能指标。

将传感器探头置于标准测试环境条件下,在达到0,50,100,150,200,300,400,500,600,700 ℃时,平衡20 min,用繁用表电压档测量传感器输出电压值,根据式(1)计算基本误差。计算传感器基本误差[10]为

(1)

式中S为基本误差,%FS;Ui为第i个测量点实际输出值(i=1,2,3,4,5),V;USi为第i个测量点理论输出值(i=1,2,3,4,5),由式(1)确定,V;UFS为满量程输出,V。各测试点测试值见表1。

表1 测试结果

通过上述实验可知,测量0,50,100,150,200,300,400,500,600,700 ℃的10个温度点,最大误差仅为0.89 %FS,全温区最大误差不大于1 %FS。

7 结 论

本文针对发动机进气管道内来流温度的具体应用需求,设计了一种高可靠密封结构的高温温度传感器。采用Z型外壳结构和温度玻璃浆烧结方式的方式,解决了高温环境下温度传感器可靠性差、密封不好的问题,保证了探头内部与外界空气隔绝,同时能够在热电偶丝与探头外壳壁间起到绝缘作用。结果表明:在被测温度-60~+700 ℃范围内,传感器基本误差不大于1 %FS。因此,本设计具有可靠性高、密封性好,更适合高温气体测量的特点,能够保证传感器在恶劣环境下长时间高可靠的进行温度测量。

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