纵向单屏蔽滞止式温度传感器优化设计研究

　　纵向单屏蔽滞止式温度传感器是目前发动机研制、生产中测量气流温度应用非常广泛的一类温度传感器,比如在燃烧室出口测量气流温度的多点耙等,它能对热电偶感温元件提供较好的机械保护,能够有效地减小辐射误差和速度误差;另外它具有外形简单,安全可靠等多种优点。

　　然而,纵向单屏蔽滞止式温度传感器在测量气流温度时依然存在测温误差如辐射误差、导热误差、速度误差等。本文从减小这些测温误差出发,对纵向单屏蔽滞止式温度传感器的优化设计进行研究,以期能对今后此类传感器的设计提供参考。

　　1　传感器结构

　　纵向单屏蔽滞止式温度传感器结构简图如图1所示。

　　这类温度传感器在使用时,气流由前端的进气孔进入屏蔽滞止罩内,冲刷偶丝后,由后端根部的出气孔排出。由于出气孔面积小于进气孔面积,因此进入滞止罩内的气流会有一定的滞止,从而达到测量气流总温的目的。

　　大量的使用情况表明,这类传感器的偶丝接点大小对传感器动态特性、速度误差有很大的影响,偶丝裸露长度会直接影响传感器导热误差的大小,屏蔽滞止罩进出气孔面积比会对传感器总测温偏差有显著影响,本文就从这些结构参数的设计出发,通过理论计算并结合实际使用情况,给出了此类传感器设计时的一些可供参考的原则。

　　2　热电偶的设计

　　2.1　偶丝接点

　　综合考虑恢复修正、动态响应和机械强度的要求,热电偶在焊成接点后,焊球的直径应等于偶丝直径的2到2.5倍左右。要控制焊球的尺寸或打磨焊球,否则除会引起传感器相关参数如恢复系数和时间常数的较大离散外,也会导致一些系统偏差。

　　2.2　偶丝裸露长度

　　偶丝裸露部分的长度,将直接影响通过偶丝向支杆的导热损失大小,沿偶丝的导热误差大小可按式(1)计算

式中:tL为距离偶丝接点L处的偶丝温度,℃;tg为气流温度,℃;tj为偶丝接点温度,℃;h为气流与偶丝的对流换热系数, W/(m2·K);k为偶丝导热系数,W/(m·K);L为沿偶丝轴向距离偶丝接点的位置,m;d为偶丝直径,m。式(1)表明:导热误差的大小主要决定于,图2给出了导热误差与数值间的关系,当>7时,。

　随L/d增大而减小,即增大L/d之值可以减小导热误差,这是因为增加浸入长度L将增加对流换热面积和偶丝导热热阻;减小直径d则不仅增大换热系数,而且还增加了导热热阻,因此,增大L/d可有效地减少导热误差。但是长径比L/d的增大还要受到振动、温度和气动载荷影响的限制,这些因素可能引起偶丝弯曲或结构破坏。以上分析及大量试验表明,长径比L/d=15对大多数应用是合适的。