上海自動化儀表有限公司對航空發(fā)動機高溫傳感器的應用

隨著航空發(fā)動機技術的發(fā)展，發(fā)動機的推重比、渦輪前溫度和總增壓比等性能參數得到顯著提升。其中，渦輪前溫度不但是航空發(fā)動機的重要性能參數，還關系到渦輪葉片表面溫度、渦輪冷卻、延壽控制等各個方面，極大地影響到航空發(fā)動機工作的可靠性。實現對渦輪前溫度進行直接準確測量是滿足上述技術要求的前提條件，而研制適用于航空發(fā)動機的大量程、高精度、高穩(wěn)定性的溫度傳感器是具體的實現途徑。

       上海自動化儀表有限公司自儀三廠高溫傳感器的工作原理和分類

溫度傳感器是能感受溫度信號并按一定傳感原理轉換成可用電信號的器件或裝置，通常包含敏感元件和轉換元件。根據測量原理性質的不同，溫度傳感器可分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩類（如圖1所示）。接觸式測溫是指溫度傳感器的敏感元件與被測對象直接接觸，通過熱傳導的方式達到熱平衡狀態(tài)，用敏感元件的溫度代表被測對象的實際溫度并進行測量。在航空發(fā)動機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。

非接觸式測溫是指溫度傳感器

的敏感元件與被測對象不發(fā)生直接接觸，而是通過獲取被測對象的熱輻射信息，根據與溫度的對應關系計算出被測對象的溫度信息，實現對被測對象的溫度測量。在航空發(fā)動機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

     上海自動化儀表股份有限公司儀表三廠鎧裝熱電偶是航空發(fā)動機中最為常用的溫度傳感器，具有結構簡單、可靠性高、技術成熟的優(yōu)點。熱電偶的敏感元件是由兩根不同材質的金屬絲焊接而成的，稱為工作端或熱端，兩根金屬絲的另一端稱為自由端或冷端，通過連接補償導線和測量儀表構成回路。其測溫原理稱為塞貝克效應（Seebeck effect），即在熱電偶的熱端和冷端存在溫度差時，兩金屬絲之間會產生熱電勢并在回路中形成電流，通過測量熱電勢的大小并進行冷端溫度補償即可計算出熱電偶工作端的溫度值。不同材質的熱電偶具有不同的測溫范圍，可用于航空發(fā)動機渦輪前溫度測量的熱電偶為鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B），長期使用最高溫度為1873K，短期使用最高溫度可達2073K。

　　　　熱電偶在發(fā)動機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先在被測對象表面開槽，將鎧裝熱電偶埋入槽中后通過等離子噴涂固定，這種方法對熱電偶的制作工藝要求較低，然而破壞了被測對象的表面結構，影響了被測對象的強度 ；火焰噴涂式熱電偶是通過火焰噴涂涂層的方法將熱電偶絲固定在被測對象表面，這種方法避免了對被測對象結構上的破壞，但產生了對表面流場的干擾 ；薄膜式熱電偶是通過電鍍、真空蒸鍍、真空濺射等技術，令金屬和絕緣材料分層附著在被測對象表面形成熱電偶 [1] ，薄膜式熱電偶的膜層厚度可以低至數微米，將對被測對象結構強度和表面流場的影響降至最低，然而在高溫環(huán)境下容易受熱應力的影響而產生脫落。

示溫漆

示溫漆測溫是一種非干涉式測溫方法。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對象表面形貌、不改變氣流狀態(tài)、無須測量引線、無須測量窗口、結果直觀等優(yōu)點 [2] 。根據涂料顏色隨溫度發(fā)生變化后再回到變色前的溫度環(huán)境下是否恢復原色，示溫漆可分為可逆與不可逆兩類，航空發(fā)動機測溫中一般使用不可逆的示溫漆 [3] 。而根據涂料隨溫度上升發(fā)生的變色次數，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產生多次變色，變色次數越多，每一種顏色指示的溫度變化范圍越小，測溫結果精度越高。因此，航空發(fā)動機測試應用中一般使用多變色不可逆示溫漆。　　得益于非干涉、無須測量引線及窗口的特性，示溫漆特別適宜在旋轉部件和復雜結構件的表面進行測溫，此類部件往往受到安裝方式和測量引線的制約而難以應用上海自動化儀表三廠其他溫度傳感器進行溫度測量。同時，示溫漆可以在被測對象表面進行大面積涂覆而不影響表面形貌與氣流狀態(tài)，適宜測量被測對象表面溫度分布。示溫漆的測量特性在帶來便利性的同時，還帶來了相應的局限性 ：示溫漆受到加熱速度、加熱時間、環(huán)境污染等使用條件的影響較大 ；需要通過顏色比對讀取溫度數值，因此測量的主觀誤差較大 ；需要將被測對象拆卸后才能進行溫度數值讀取，因此只適宜進行發(fā)動機測試時使用，無法進行在線監(jiān)測等。

綜合上述特征，示溫漆測溫常用于航空發(fā)動機測試中對燃燒室和渦輪部件表面溫度分布的測量。目前對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

上海自動化儀表有限公司自儀三廠晶體高溫傳感器是利用晶體輻照缺陷熱穩(wěn)定性來進行溫度測量的傳感器。當碳化硅晶體受到中子輻照時，由于電離、離位等效應的作用，晶格內部產生大量如間隙原子、空位等缺陷，破壞了晶體原子排列的周期性 [4] 。而經過中子輻照的碳化硅晶體所產生的熱穩(wěn)定性缺陷會在高溫環(huán)境下被修復，其修復程度與晶體的退火溫度存在對應關系。因此，利用X射線衍射（XRD）檢測出晶體輻照缺陷的修復狀態(tài)，參照預先標定的溫度對應曲線，便可計算出晶體的退火溫度，即被測對象所經歷的最高溫度。

      晶體測溫方法具有尺寸小、精度高、可分布式測量和不需要引線等 優(yōu) 點， 美 國LG Tech-Link公 司開 發(fā) 的UCTS測 溫 晶 體 體 積 僅 有0.20mm×0.20mm×0.38 mm， 可實現測溫范圍為423 ～ 1703K，且測溫精度為±3.3K。晶體測溫在測試方法上和示溫漆測溫具有一定的相似性，例如，晶體測溫與示溫漆測溫無須測量引線和測量窗口 ；可以用于測量被測對象表面溫度分布 ；只能測量被測對象表面所經歷的最高溫度，適合在發(fā)動機測試階段使用，無法進行在線監(jiān)測。晶體測溫方法與示溫漆測溫的最重要區(qū)別在于采用XRD檢測方法對晶體的輻照缺陷進行精確表征，極大地提高了溫度測量精度，然而測溫晶體的安裝往往需要侵入被測對象內部或黏附在被測對象表面（如圖2所示），對被測對象的結構強度或表面氣流具有一定影響。