氣流溫度傳感器時間常數(shù)關(guān)鍵影響因素分析

趙 儉

(北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

1 引 言

氣流溫度的準(zhǔn)確測量，對于武器裝備的性能評價、狀態(tài)監(jiān)控等具有重要意義。在某些特定的情況下，氣流溫度會發(fā)生快速變化，這時希望氣流溫度傳感器能夠?qū)焖僮兓臏囟燃皶r響應(yīng)，從而獲取真實的氣流溫度。實際上，由于傳感器具有熱慣性，在測量時往往存在響應(yīng)滯后，不能及時反映真實的氣流溫度，嚴(yán)重時會引發(fā)事故。針對此問題，一般有兩種解決途徑：一是通過對傳感器進行優(yōu)化設(shè)計，盡量提高其動態(tài)響應(yīng)能力；二是通過預(yù)先對傳感器進行模擬使用工況條件下的校準(zhǔn)，得到傳感器的時間常數(shù)等動態(tài)性能參數(shù)，在使用時對傳感器進行動態(tài)補償。氣流溫度傳感器動態(tài)性能的影響因素多，影響機制復(fù)雜，而國內(nèi)此前在性能影響規(guī)律方面缺乏系統(tǒng)的研究，為氣流溫度傳感器的設(shè)計與使用帶來了較大的難度。為保證武器裝備的安全性、控制精度，提高溫度傳感器的設(shè)計水平，需要對溫度傳感器的動態(tài)性能進行系統(tǒng)研究，探索其關(guān)鍵影響因素及影響規(guī)律[1,2]。

美國、俄羅斯等國家從上個世紀(jì)50年代開始，對溫度傳感器的動態(tài)性能進行了大量的校準(zhǔn)試驗研究，美國NASA在TP 1099技術(shù)報告中，給出了不同系列尺寸的屏蔽式與裸露式熱電偶溫度傳感器時間常數(shù)的試驗結(jié)果，并歸納出了部分經(jīng)驗公式[3];歐洲各國也針對氣流溫度傳感器的動態(tài)性能及其理論模型等開展了大量的研究[4,5]。國內(nèi)在上述研究基礎(chǔ)上，開展了氣流溫度傳感器動態(tài)性能校準(zhǔn)試驗研究，但量化分析與動態(tài)模型研究相對較少。為全面反映氣流溫度傳感器的動態(tài)性能，希望能對傳感器進行參數(shù)化動態(tài)建模，為此，需要首先對傳感器動態(tài)性能的關(guān)鍵影響因素及影響規(guī)律進行分析研究。

本文對幾種氣流溫度傳感器進行動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)，并對校準(zhǔn)結(jié)果進行分析，得到了氣流溫度傳感器時間常數(shù)的主要影響因素及影響規(guī)律，為動態(tài)氣流溫度的準(zhǔn)確測量提供重要支撐。

2 動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)

由于氣流溫度傳感器有一定的質(zhì)量，導(dǎo)致其具有一定的熱慣性，所以在測量突然變化的氣流溫度時，傳感器不能立刻反映氣流溫度的變化，而是具有一定的響應(yīng)滯后。對于一階系統(tǒng)，通常用時間常數(shù)來反映其動態(tài)響應(yīng)的能力。盡管氣流溫度傳感器不一定屬于一階系統(tǒng)，但出于研究問題的方便，國內(nèi)外仍舊以時間常數(shù)作為氣流溫度傳感器動態(tài)性能的指標(biāo)。

氣流溫度傳感器的時間常數(shù)一般通過在熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上校準(zhǔn)得到[6,7]。熱校準(zhǔn)風(fēng)洞主要由穩(wěn)定段、收縮段、試驗段等組成。穩(wěn)定段內(nèi)設(shè)計有熱衰減器和阻尼網(wǎng)，用于改善風(fēng)洞的溫場和流場品質(zhì)；收縮段內(nèi)壁面按維式曲線設(shè)計，進一步改善流場品質(zhì)，并使氣流加速；試驗段是溫度傳感器校準(zhǔn)的場所，航空煤油和空氣混合燃燒后，在試驗段得到穩(wěn)定的高溫氣流溫度場。熱校準(zhǔn)風(fēng)洞如圖1所示。溫度的階躍變化由階躍系統(tǒng)產(chǎn)生，階躍系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的動作時間約為20～30 ms。

圖1 熱校準(zhǔn)風(fēng)洞Fig.1 Hot wind tunnel

圖2 溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)框圖Fig.2 Block diagram of dynamic response calibration of temperature sensors

校準(zhǔn)框圖如圖2所示。校準(zhǔn)時，將被校氣流溫度傳感器安裝于熱校準(zhǔn)風(fēng)洞試驗段的核心區(qū)，調(diào)整到規(guī)定的氣流溫度、馬赫數(shù)工況并充分穩(wěn)定后，采集記錄試驗數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)溫度階躍系統(tǒng)，改變被校傳感器指示溫度，達到規(guī)定的溫度階躍量，記錄初狀態(tài)的參數(shù)；控制溫度階躍系統(tǒng)，使被校傳感器的環(huán)境產(chǎn)生溫度階躍，用數(shù)字示波器記錄被校傳感器對階躍溫度的響應(yīng)曲線；待穩(wěn)定后，記錄末狀態(tài)參數(shù)。初、末狀態(tài)參數(shù)包括氣流馬赫數(shù)、氣流總溫和被校傳感器指示溫度。由被校傳感器的響應(yīng)曲線或擬合公式計算時間常數(shù)，達到階躍溫度量的63.2%所需要的時間稱為時間常數(shù)τ。

3 校準(zhǔn)結(jié)果與分析

3.1 焊球直徑對時間常數(shù)的影響

被校溫度傳感器為直型裸露式結(jié)構(gòu)，敏感元件為K型熱電偶，偶絲為楔形焊，有球形接點，傳感器頭部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，氣流方向垂直于偶絲平面。

圖3 直型裸露式溫度傳感器頭部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of straight bare temperature sensor head

在氣流馬赫數(shù)0.3、氣流壓力為常壓、氣流溫度從500 ℃階躍到700 ℃條件下進行校準(zhǔn)，不同焊球直徑溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同焊球直徑溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果Fig.4 Dynamic response calibration results of temperature sensors of different diameters of welding ball

由圖4可見，在相同的工況下(Ma=0.3，t=500～700 ℃)，時間常數(shù)隨溫度傳感器焊球直徑的增大而增大，時間常數(shù)變化的斜率也隨之增大。焊球直徑由1.2 mm增大到1.5 mm，溫度傳感器的時間常數(shù)增大5.3%；焊球直徑由1.5 mm增大到1.8 mm，溫度傳感器的時間常數(shù)增大43.1%。

溫度傳感器的時間常數(shù)近似計算公式為[8～10]：

(1)

式中：ρ為偶絲材料的密度，kg/m3；c為偶絲材料的比熱容，J/(kg·K)；V為焊球的體積，m3；h為偶絲與氣流的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為焊球的表面積，m2。

對于球形接點的傳感器，式(1)可化為：

(2)

式中：D為焊球直徑，m。

由式(2)可知，溫度傳感器的焊球直徑變大，會使溫度傳感器的時間常數(shù)變大；同時，當(dāng)焊球直徑變大時，會使得對流換熱系數(shù)變小。因此，這兩個因素綜合作用的結(jié)果，使得溫度傳感器的時間常數(shù)變大。

3.2 偶絲直徑對時間常數(shù)的影響

被校溫度傳感器頭部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

在氣流馬赫數(shù)0.3、氣流壓力為常壓、氣流溫度從500 ℃階躍到700 ℃條件下進行校準(zhǔn)，不同偶絲直徑溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同偶絲直徑溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果Fig.5 Dynamic response calibration results of temperature sensors of different diameters of thermocouple wire

由圖5可見，在相同的工況下(Ma=0.3，t=500～700 ℃)，時間常數(shù)隨溫度傳感器偶絲直徑的增大而增大，時間常數(shù)變化的斜率也隨之增大。偶絲直徑由0.3 mm增大到0.5 mm，溫度傳感器的時間常數(shù)增大68.8%；偶絲直徑由0.5 mm增大到0.8 mm，溫度傳感器的時間常數(shù)增大142.9%。

溫度傳感器在測量氣流溫度時，除焊球外，偶絲裸露部分也要與氣流進行換熱，偶絲直徑除了影響偶絲的熱容量外，還影響到偶絲與氣流的對流換熱系數(shù)，與焊球直徑的作用機制類似[11]。

不同偶絲直徑的溫度傳感器，其焊球直徑也不同，所以偶絲直徑對時間常數(shù)影響的試驗數(shù)據(jù)中，實際上包含了焊球直徑的影響。偶絲直徑對時間常數(shù)的影響規(guī)律，需要借助相關(guān)的回歸分析來判斷[12,13]。

3.3 屏蔽罩結(jié)構(gòu)對時間常數(shù)的影響

被校溫度傳感器有3支，型號分別為T04、T05、T06，3支傳感器均為直型單屏蔽式結(jié)構(gòu)，敏感元件為K型鎧裝熱電偶。

T04有3個圓形進氣口和1個圓形出氣口，出氣口與第2個進氣口在同一軸向位置上，二者直徑相同，敏感元件頭部位于第2個進氣口中間位置處。T05有1個矩形進氣口和1個矩形出氣口，二者在同一軸向位置上，且面積相等，敏感元件頭部位于進氣口中間位置處。T06有2個圓形進氣口和1個圓形出氣口，進氣口和出氣口在軸向錯開排列，敏感元件頭部位于進氣口和出氣口之間，傳感器頭部結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。校準(zhǔn)時，氣流方向垂直于傳感器支桿。

校準(zhǔn)壓力為常壓，氣流馬赫數(shù)為0.2、0.4，階躍溫度為400 ℃到600 ℃，不同屏蔽罩結(jié)構(gòu)的溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

圖6 直型單屏蔽式溫度傳感器頭部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of straight single-shielded temperature sensor head

表1 不同屏蔽罩結(jié)構(gòu)溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果Tab.1 Dynamic response calibration results of temperature sensors of different shield structures

T04傳感器屏蔽罩進出氣口面積比為3，T05傳感器屏蔽罩進出氣口面積比為1。由表1可見，在氣流馬赫數(shù)為0.2和0.4時，T04傳感器的時間常數(shù)比T05傳感器分別大22.6%和23.6%。由于屏蔽罩進出氣口面積比越大，傳感器敏感元件感受到的氣流速度越低，敏感元件與氣流的對流換熱越弱，傳感器的時間常數(shù)就會越大；理論上，T04傳感器有3個進氣口，會有3股氣流進入屏蔽罩，這3股氣流相遇并互相撞擊，可增大氣流的紊流度，從而使對流換熱系數(shù)有所增大，改善傳感器的動態(tài)響應(yīng)性能；但由于屏蔽罩內(nèi)流速度的影響仍起主導(dǎo)作用，所以T04傳感器的時間常數(shù)仍大于T05傳感器。

T06傳感器與T05傳感器的屏蔽罩進出氣口面積比相同，均為1。從表1的數(shù)據(jù)可見，T06傳感器的時間常數(shù)要大于T05，在氣流馬赫數(shù)為0.2和0.4時，T06傳感器的時間常數(shù)比T05傳感器分別大32.5%和20.7%。分析原因，由于T06傳感器敏感元件頭部的軸向位置在進氣孔和出氣孔之間，氣流傾斜掠過敏感元件頭部，較之T05傳感器氣流垂直掠過敏感元件頭部，對流換熱系數(shù)較小，所以時間常數(shù)較大。與T04傳感器類似，2股氣流撞擊亦不能改變這種趨勢。

3.4 氣流馬赫數(shù)對時間常數(shù)的影響

被校溫度傳感器為直型裸露式結(jié)構(gòu)，敏感元件為K型熱電偶，偶絲直徑φ為0.5 mm，焊球直徑φ為1.5 mm，偶絲為楔形焊，有球形接點，傳感器頭部結(jié)構(gòu)如圖3所示，氣流方向垂直于偶絲平面。

校準(zhǔn)壓力為常壓，階躍溫度分別為400 ℃到600 ℃、500 ℃到700 ℃、600 ℃到800 ℃，不同氣流馬赫數(shù)下溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同氣流馬赫數(shù)下溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果Fig.7 Dynamic response calibration results of temperature sensors at different gas flow Mach numbers

由圖7可見：隨氣流馬赫數(shù)的升高，時間常數(shù)隨之變小；馬赫數(shù)由0.2增大到0.3，溫度傳感器的時間常數(shù)平均減小15.3%；馬赫數(shù)由0.3增大到0.4，溫度傳感器的時間常數(shù)平均減小11.0%。

提高氣流馬赫數(shù)，質(zhì)量流速變大，對流換熱系數(shù)變大，從而導(dǎo)致時間常數(shù)變小。

3.5 氣流溫度對時間常數(shù)的影響

被校溫度傳感器為直型裸露式結(jié)構(gòu)，傳感器頭部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，氣流方向垂直于偶絲平面。

校準(zhǔn)壓力為常壓，氣流馬赫數(shù)分別為0.2、0.3、0.4，溫度階躍量為200 ℃，不同氣流溫度下溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同氣流溫度下溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果Fig.8 Dynamic response calibration results of temperature sensors at different gas flow temperatures

由圖8可見：隨氣流溫度的升高，時間常數(shù)隨之變小；氣流溫度由400 ℃增大到500 ℃，溫度傳感器的時間常數(shù)平均減小3.5%；氣流溫度由500 ℃增大到600 ℃，溫度傳感器的時間常數(shù)平均減小3.6%。

氣流溫度對傳感器時間常數(shù)的影響是一個綜合作用的結(jié)果，當(dāng)氣流溫度升高時，在同樣的氣流馬赫數(shù)下，氣體質(zhì)量流速降低，對流換熱減弱，使得傳感器的時間常數(shù)增大，同時，氣流溫度的升高，會導(dǎo)致偶絲材料的比熱容增大，也會促使傳感器的時間常數(shù)增大；但從另外的角度來說，氣流溫度越高，其粘度越大，摩擦越大，對流換熱越強，從而時間常數(shù)越小，同時，氣流溫度升高，也會導(dǎo)致氣體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)增大，從而時間常數(shù)減小。

上述兩個相互矛盾的因素作用，后者占據(jù)主導(dǎo)，致使溫度傳感器的時間常數(shù)隨氣流溫度的升高而減小。

3.6 溫度階躍量對時間常數(shù)的影響

被校溫度傳感器為7點單屏蔽式結(jié)構(gòu)[14]，敏感元件為K型熱電偶，偶絲直徑φ0.5 mm，偶絲為楔形焊，有球形接點，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，氣流方向平行于偶絲平面。

圖9 7點單屏蔽式溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of seven measuring points single-shielded temperature sensor

校準(zhǔn)壓力為常壓，氣流馬赫數(shù)為0.32，氣流溫度為700 ℃，不同溫度階躍量下溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同溫度階躍量下溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果Fig.10 Dynamic response calibration results of temperature sensors at different temperature steps

由圖10可見：隨溫度階躍量的增大，時間常數(shù)隨之變大；溫度階躍量由100 ℃增大到200 ℃，傳感器測點2和測點6的時間常數(shù)分別增大了23.6%、2.7%。

3.7 其他因素的影響

除上述影響因素外，影響溫度傳感器時間常數(shù)的因素還包括：偶絲材料、氣流壓力、氣流紊流度、氣流方向、氣流含水量、安裝座溫度、環(huán)境壁溫等，在實際應(yīng)用時需要綜合考量[15,16]。

需要說明的是，氣流壓力為溫度傳感器時間常數(shù)的強影響量，由于目前國內(nèi)的校準(zhǔn)風(fēng)洞均為常壓，所以動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)在常壓下進行。氣流壓力主要是通過影響雷諾數(shù)，進而影響到努賽爾數(shù)、對流換熱系數(shù)[17]以及時間常數(shù)，因而氣流壓力對溫度傳感器時間常數(shù)的影響規(guī)律與氣流馬赫數(shù)接近。

4 結(jié) 論

(1) 溫度傳感器的時間常數(shù)隨焊球直徑的增大而增大，變化斜率亦隨之增大。

(2) 溫度傳感器的時間常數(shù)隨偶絲直徑的增大而增大，變化斜率亦隨之增大。

(3) 溫度傳感器的時間常數(shù)隨屏蔽罩進出氣口面積比的增大而增大，多進氣口的多股流撞擊效應(yīng)仍不能改變這種趨勢；進出氣口面積比相同時，進、出氣口錯開排列較之進、出氣口對開排列的時間常數(shù)大，兩股氣流撞擊亦不能改變這種趨勢。

(4) 溫度傳感器的時間常數(shù)隨氣流馬赫數(shù)的增大而減小。

(5) 各因素綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致溫度傳感器的時間常數(shù)隨氣流溫度的升高而減小。

(6) 溫度傳感器的時間常數(shù)隨溫度階躍量的增大而增大。