上海自動(dòng)化儀表有限公司對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫傳感器的應(yīng)用

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比、渦輪前溫度和總增壓比等性能參數(shù)得到顯著提升。其中，渦輪前溫度不但是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性能參數(shù)，還關(guān)系到渦輪葉片表面溫度、渦輪冷卻、延壽控制等各個(gè)方面，極大地影響到航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪前溫度進(jìn)行直接準(zhǔn)確測(cè)量是滿(mǎn)足上述技術(shù)要求的前提條件，而研制適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大量程、高精度、高穩(wěn)定性的溫度傳感器是具體的實(shí)現(xiàn)途徑。

       上海自動(dòng)化儀表有限公司自?xún)x三廠高溫傳感器的工作原理和分類(lèi)

溫度傳感器是能感受溫度信號(hào)并按一定傳感原理轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)的器件或裝置，通常包含敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。根據(jù)測(cè)量原理性質(zhì)的不同，溫度傳感器可分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩類(lèi)（如圖1所示）。接觸式測(cè)溫是指溫度傳感器的敏感元件與被測(cè)對(duì)象直接接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式達(dá)到熱平衡狀態(tài)，用敏感元件的溫度代表被測(cè)對(duì)象的實(shí)際溫度并進(jìn)行測(cè)量。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中正在使用或探索使用的接觸式傳感器包括熱電偶溫度傳感器、示溫漆、晶體高溫傳感器和光纖高溫傳感器等。

非接觸式測(cè)溫是指溫度傳感器

的敏感元件與被測(cè)對(duì)象不發(fā)生直接接觸，而是通過(guò)獲取被測(cè)對(duì)象的熱輻射信息，根據(jù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的溫度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的溫度測(cè)量。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中正在使用或探索使用中的非接觸式傳感器主要是輻射式高溫傳感器。

接觸式高溫傳感器熱電偶溫度傳感器

     上海自動(dòng)化儀表股份有限公司儀表三廠鎧裝熱電偶是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最為常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶的敏感元件是由兩根不同材質(zhì)的金屬絲焊接而成的，稱(chēng)為工作端或熱端，兩根金屬絲的另一端稱(chēng)為自由端或冷端，通過(guò)連接補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)和測(cè)量?jī)x表構(gòu)成回路。其測(cè)溫原理稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect），即在熱電偶的熱端和冷端存在溫度差時(shí)，兩金屬絲之間會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)并在回路中形成電流，通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)的大小并進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償即可計(jì)算出熱電偶工作端的溫度值。不同材質(zhì)的熱電偶具有不同的測(cè)溫范圍，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度測(cè)量的熱電偶為鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號(hào)B），長(zhǎng)期使用最高溫度為1873K，短期使用最高溫度可達(dá)2073K。

　　　　熱電偶在發(fā)動(dòng)機(jī)中的安裝方式主要包括埋入式、火焰噴涂式和薄膜式3種。埋入式熱電偶是指預(yù)先在被測(cè)對(duì)象表面開(kāi)槽，將鎧裝熱電偶埋入槽中后通過(guò)等離子噴涂固定，這種方法對(duì)熱電偶的制作工藝要求較低，然而破壞了被測(cè)對(duì)象的表面結(jié)構(gòu)，影響了被測(cè)對(duì)象的強(qiáng)度 ；火焰噴涂式熱電偶是通過(guò)火焰噴涂涂層的方法將熱電偶絲固定在被測(cè)對(duì)象表面，這種方法避免了對(duì)被測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)上的破壞，但產(chǎn)生了對(duì)表面流場(chǎng)的干擾 ；薄膜式熱電偶是通過(guò)電鍍、真空蒸鍍、真空濺射等技術(shù)，令金屬和絕緣材料分層附著在被測(cè)對(duì)象表面形成熱電偶 [1] ，薄膜式熱電偶的膜層厚度可以低至數(shù)微米，將對(duì)被測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和表面流場(chǎng)的影響降至最低，然而在高溫環(huán)境下容易受熱應(yīng)力的影響而產(chǎn)生脫落。

示溫漆

示溫漆測(cè)溫是一種非干涉式測(cè)溫方法。作為一種顏色隨溫度發(fā)生變化的功能性涂料，示溫漆具有不破壞被測(cè)對(duì)象表面形貌、不改變氣流狀態(tài)、無(wú)須測(cè)量引線(xiàn)、無(wú)須測(cè)量窗口、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn) [2] 。根據(jù)涂料顏色隨溫度發(fā)生變化后再回到變色前的溫度環(huán)境下是否恢復(fù)原色，示溫漆可分為可逆與不可逆兩類(lèi)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫中一般使用不可逆的示溫漆 [3] 。而根據(jù)涂料隨溫度上升發(fā)生的變色次數(shù)，示溫漆又可以分為單色和多色示溫漆，單色示溫漆隨溫度升高只產(chǎn)生一種顏色變化，多用于超溫警示功能 ；多色示溫漆隨溫度升高會(huì)產(chǎn)生多次變色，變色次數(shù)越多，每一種顏色指示的溫度變化范圍越小，測(cè)溫結(jié)果精度越高。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試應(yīng)用中一般使用多變色不可逆示溫漆。　　得益于非干涉、無(wú)須測(cè)量引線(xiàn)及窗口的特性，示溫漆特別適宜在旋轉(zhuǎn)部件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的表面進(jìn)行測(cè)溫，此類(lèi)部件往往受到安裝方式和測(cè)量引線(xiàn)的制約而難以應(yīng)用上海自動(dòng)化儀表三廠其他溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。同時(shí)，示溫漆可以在被測(cè)對(duì)象表面進(jìn)行大面積涂覆而不影響表面形貌與氣流狀態(tài)，適宜測(cè)量被測(cè)對(duì)象表面溫度分布。示溫漆的測(cè)量特性在帶來(lái)便利性的同時(shí)，還帶來(lái)了相應(yīng)的局限性 ：示溫漆受到加熱速度、加熱時(shí)間、環(huán)境污染等使用條件的影響較大 ；需要通過(guò)顏色比對(duì)讀取溫度數(shù)值，因此測(cè)量的主觀誤差較大 ；需要將被測(cè)對(duì)象拆卸后才能進(jìn)行溫度數(shù)值讀取，因此只適宜進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)使用，無(wú)法進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等。

綜合上述特征，示溫漆測(cè)溫常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中對(duì)燃燒室和渦輪部件表面溫度分布的測(cè)量。目前對(duì)多色不可逆示溫漆的研究主要集中于提高示溫漆溫度值的判讀精度、增大示溫漆的涂層強(qiáng)度和使用范圍等方面，今后仍有廣闊的發(fā)展前景。

晶體高溫傳感器

上海自動(dòng)化儀表有限公司自?xún)x三廠晶體高溫傳感器是利用晶體輻照缺陷熱穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的傳感器。當(dāng)碳化硅晶體受到中子輻照時(shí)，由于電離、離位等效應(yīng)的作用，晶格內(nèi)部產(chǎn)生大量如間隙原子、空位等缺陷，破壞了晶體原子排列的周期性 [4] 。而經(jīng)過(guò)中子輻照的碳化硅晶體所產(chǎn)生的熱穩(wěn)定性缺陷會(huì)在高溫環(huán)境下被修復(fù)，其修復(fù)程度與晶體的退火溫度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，利用X射線(xiàn)衍射（XRD）檢測(cè)出晶體輻照缺陷的修復(fù)狀態(tài)，參照預(yù)先標(biāo)定的溫度對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)，便可計(jì)算出晶體的退火溫度，即被測(cè)對(duì)象所經(jīng)歷的最高溫度。

      晶體測(cè)溫方法具有尺寸小、精度高、可分布式測(cè)量和不需要引線(xiàn)等 優(yōu) 點(diǎn)， 美 國(guó)LG Tech-Link公 司開(kāi) 發(fā) 的UCTS測(cè) 溫 晶 體 體 積 僅 有0.20mm×0.20mm×0.38 mm， 可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫范圍為423 ～ 1703K，且測(cè)溫精度為±3.3K。晶體測(cè)溫在測(cè)試方法上和示溫漆測(cè)溫具有一定的相似性，例如，晶體測(cè)溫與示溫漆測(cè)溫?zé)o須測(cè)量引線(xiàn)和測(cè)量窗口 ；可以用于測(cè)量被測(cè)對(duì)象表面溫度分布 ；只能測(cè)量被測(cè)對(duì)象表面所經(jīng)歷的最高溫度，適合在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試階段使用，無(wú)法進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。晶體測(cè)溫方法與示溫漆測(cè)溫的最重要區(qū)別在于采用XRD檢測(cè)方法對(duì)晶體的輻照缺陷進(jìn)行精確表征，極大地提高了溫度測(cè)量精度，然而測(cè)溫晶體的安裝往往需要侵入被測(cè)對(duì)象內(nèi)部或黏附在被測(cè)對(duì)象表面（如圖2所示），對(duì)被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或表面氣流具有一定影響。