CN109386371B - 控制引气控温系统活门开度的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种控制引气控温系统活门开度的温度传感器，旨在提供一种反应灵敏，精度高，耐高温范围宽、耐振动环境能力强的温度传感器。本发明通过下述技术方案予以实现：感温导管以灌油导管为中心，等分圆周排列在柱台杯座上，呈伞状骨架圆阵排列向顶端汇聚，底端通过柱台杯座和倒T形凸台密封端盖形成的密封腔，与所述倒T形凸台密封端盖固联波纹管腔相连通；中心杆从上至下通过倒T形凸台密封端盖伸出柱台杯座法兰盘组成输出端，感温介质通过灌油导管灌封于波纹管灌封腔空间，感受引气通道温度变化，感温介质膨胀推动波纹管中心杆沿轴向位移，位移输出调节上一级安装在引气气源调节区的活门的开度。本发明解决了现有技术响应时间长、耐高温范围小的缺陷。

Description

控制引气控温系统活门开度的温度传感器

技术领域

本发明涉及一种安装在发动机引气控温系统中，控制引气控温系统活门开度的温度传感器。

背景技术

温度传感器（temperaturetransducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，是五花八门的各种传感器中最为常用的一种。温度压力传感器是由温度敏感元件和检测线路组成的。温度传感器品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来敏感被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等，非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度，有利用半导体吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器。铠装温度传感器是由电阻体感温元件、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φ1mm。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。现有技术中，发动机环控系统引气控温系统所用温度传感器要求耐温范围广，特别是耐高温环境，引气控温系统一般安装在靠近发动机和起落架部位，要求传感器具备较高的耐振动环境能力。引气控温系统所用的温度传感器，对引气温度控制曲线如图5所示，从T1～T2范围内波动，经过一定次数的调节波动后，最后能够稳定在控温点T上，波动次数、达到控温点所需要的时间，是引气控温系统所用温度传感器控温能力的直接反映，波动次数越少，达到控温点时间越短，则该传感器越先进。一般电磁阀或电阻类温度传感器，由于敏感元件相对脆弱，加之使用在高温、高振动、高湿热环境条件下，需要对敏感元件进行封装、保护，包裹的壳体较厚，这样导致了温度变化传递到敏感元件需要较长时间，其传热较慢、响应时间长，这样会造成引气控温系统的温度震荡曲线，波动次数较多，达到控温点所需要的时间较长，甚至可能无法形成一个稳定的控温点T。同时由于该类传感器的精度只保留在一定温度范围内的，而引气控温系统对于精度要求较高，使得一般电磁阀和电阻类温度传感器不具备全温度范围的适应性要求。调节时间长会影响飞机的环控系统中空调系统、防冰系统等分系统的工作。

发动机气控温温度位移传感器控制上一级活门开度，活门的开度大小控制上游冷热引气混合中冷气源的流量，活门开度越大，则冷气源流入量多，经过混合后，引气温度降低，而活门开度越小，则冷气源流量减小，混合后，引气温度升高。温度位移传感器感受混合后的引气温度，控制上游活门的开度。从系统层面对混合后的引气温度的检测，就形成如图5所示的引气温度震荡曲线。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种反应灵敏，精度高，控温点T稳定，耐温范围宽、耐振动环境能力强，控制引气控温系统活门开度的温度传感器及其提高所述温度传感器灵敏度和精度的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种控制引气控温系统活门开度的温度传感器，具有一个带法兰盘的柱台杯座11，连接所述柱台杯座11的保护罩套筒4和感应引气系统控温区温度变化的感温导管3，其特征在于：感温导管3穿过所述柱台杯座11，以灌油导管16为中心，等分圆周排列在柱台杯座11上，并向上延伸穿过定位圆板14，呈伞状骨架圆阵排列，并向顶端汇聚形成一定角度的锥形塔顶，底端通过柱台杯座11和倒T形凸台密封端盖12形成密封腔，中心杆1从上至下通过倒T形凸台密封端盖12、压环5、波纹管2和限制波纹管2伸长偏转的凸台支座6的中心孔10，伸出柱台杯座11法兰盘组成输出端；通过灌油导管16灌封于波纹管2感温介质感受引气通道温度变化，感温介质膨胀及部分介质气化在灌封腔产生压力变化，推动无拐点的S形且圆滑连接的波纹管波片组成的波纹管产生伸缩变形，驱动输出端中心杆1沿轴向位移，将引气流的温度变化量转化为位移变化量，位移输出调节上一级安装在引气气源调节区的活门的开度，控制引气系统的引气温度。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

反应灵敏、控温点T稳定。本发明采用由若干根导管呈伞状骨架排列感温部分的导管3连通波纹管2灌封腔空间灌封没有空气的感温介质，使得温度变化能够快速地反应到感温介质，感温介质膨胀推动波纹管伸长，反应在中心杆移动，响应快速，引气温度曲线能够很快在温度点T1～T2范围内振荡，并在较少的波动次数内，使引气温度稳定在图5所示的引气温度曲线控温点T。解决了现有技术电响应类温度传感器响应时间长、耐高温范围小的缺陷。

精度高。本发明波纹管2及与波纹管相连的中心杆1组成的输出端，采用波片厚度小于0.08mm的S形面波纹管波片组成波纹管结构刚度小，灵敏高，可以将相当小的密封腔压力变化反应在与波纹管相连的中心杆上，通过选择感温导管3的体积、波纹管2的刚度和体积及密封腔所充介质硅油的量的匹配，及密封腔没有空气，温度的微小变化均能够通过敏感的波纹管，直接反映在中心杆的轴向位移输出上，因此具有高的灵敏度。由于密封腔无空气，温度变化量与波纹管的位移变化量比例（温度与位移呈线性）关系长期保持。因为硅油在空气中反复加热会发生化学反应，粘度变大，从而改变温度变化量与位移变化量的比例关系，导致精度变化。实际测试结果表明，其感温精度达到温度每变化2℃，位移变化0.02(±0.005)mm。

使用温度范围宽。本发明采用感温介质通过灌油导管16灌封于波纹管2灌封腔空间，感受引气通道温度变化，感温介质膨胀及部分介质气化在灌封腔产生压力变化，推动波纹管产生伸缩变形，通过封装的不同感温介质量，改变温度传感器的不同起动温度，拓宽温度范围宽；通过感温导管3的体积、波纹管2的体积及刚度和感温介质硅油三者匹配变化量，满足不同温度下的位移要求；通过感温导管3的体积、波纹管2的刚度和体积及密封腔所充介质硅油的量进行匹配，在波纹管2状态确定下，感温导管3的长度调节至100-130mm，并控制灌封腔空间内的硅油量，从而满足温度传感器的性能要求，拓宽使用温度范围。从而具有很大的温度适应性，而满足引气控温系统的全温度范围内的控温要求。

耐振动环境能力强。本发明采用直径23mm，长89mm结构紧凑小巧的套筒，在保证性能的前提下，采用无拐点的S波形面且圆滑连接的波纹管波片8组成的波纹管，波纹管波片8采用的波片材料是硬度HRC≥42，波片厚度小于0.08mm的高强度沉淀强化合金AM350三个措施将强度最弱的波纹管2，通过S形面的波形避免了波纹管波片强度小的缺陷，使其形成波纹管波片刚度小，波纹管波片强度高；通过采用硬度HRC≥42高强度沉淀强化合金AM350提高了波片强度，通过无拐点的S形的圆滑连接波纹管波片增强了波纹管耐振动环境和抗疲劳能力。同时通过凸台支座6凸台与波纹管2内孔的单面间隙0.1mm，限制波纹管2在伸长时偏转，防止振动时偏转变形，进一步提升了耐振动环境能力。

附图说明

图1是本发明控制引气控温系统活门开度的温度位移传感器剖视图。

图2是图1波纹管2密封腔结构的局部剖视图。

图3是图1呈伞状骨架圆阵锥形塔感温元件的三维构造示意图。

图4是图1传感器柱台杯座与保护罩套筒连体结构的示意图。

图5是本发明的引气温度曲线示意图。

图中：1中心杆，2波纹管，3感温导管，4套筒，5压环，6凸台支座，7波片厚度尺寸，8波纹管波片，9压环凹槽，10中心孔，11柱台杯座，12倒T形凸台密封端盖，13套管，14定位圆板，15导管装配顶端角度，16灌油导管，17通气孔，18垫板。

具体实施方式

参阅图1-图5。在以下描述的控制引气控温系统活门开度的温度传感器的一个最佳实施例中，安装于引气系统控温区控制引气控温系统活门开度的温度传感器，具有一个带法兰盘的柱台杯座11，连接所述柱台杯座11的保护罩套筒4和感应引气系统控温区温度变化的感温导管3，其中，感温导管3穿过垫板18，以灌油导管16为中心，等分圆周排列固联在垫板18上，并向上延伸穿过定位圆板14，呈伞状骨架圆阵排列向顶端汇聚形成一定角度的锥形塔顶，底端通过垫板18和倒T形凸台密封端盖12形成的密封腔，与所述倒T形凸台密封端盖12固联波纹管2腔相连通；波纹管2固联压环5，与制有中心孔10的凸台支座6的外圆柱面小间隙配合，中心杆1从下至上通过倒T形凸台密封端盖12、压环5、波纹管2伸出柱台杯座11法兰盘组成输出端，感温介质硅油通过灌油导管16灌封于感温导管3及波纹管2灌封腔空间，感受引气流的温度变化，感温介质硅油膨胀及部分介质气化在灌封腔产生压力变化，推动波纹管产生伸缩变形，驱动输出端中心杆1沿轴向位移。将引气流的温度变化量转化为位移变化量，位移输出调节上一级安装在引气气源调节区的活门的开度，控制引气系统的引气温度。

为提高感温效率，使呈伞骨架排列的感温导管3能够快速感温，保护罩套筒4筒体圆周上制呈圆周错落排列分布的通气孔17，空气流从所述通气孔17流入保护罩套筒4内。感温导管3底部制有转接过渡套管13。按圆阵排列的感温导管3至少由3根通过夹具弯曲成形导管排列组成围绕灌油导管16为中心，且呈伞状骨架圆阵排列的锥形塔状感温元件。

在上述伞状骨架圆阵排列的锥形塔状感温元件中，每个圆阵排列的感温导管3的弯曲倒角是通过定位圆板14支撑固定的。倒T形凸台密封端盖12通过固联垫板18，把感温导管3内腔与波纹管2内腔连通形成密封腔。

波纹管2是采用无拐点的S形面且圆滑连接的波纹管波片8组成，而且波纹管波片8采用的波片材料是硬度HRC≥42，波片厚度小于0.08mm的高强度沉淀强化合金AM350，以避免波纹管波片拐点应力集中，屈服强度降低，易疲劳损坏的缺陷，增加波纹管2波片的耐压能力。为了避免连接压环5的波片变形，在压环5上端面制有避让波纹管2底部波片弧度的凹槽9。为了提高波纹管2的强度和使用寿命，在凸台支座6上制作了与波纹管2内孔单面间隙0.1mm的凸台，该凸台在波纹管2伸长时起导向，防偏转作用，振动时防止波纹管2偏转变形。

感温导管3以灌油导管16为中心，底端等分圆周排列穿过并固联垫板18，倒T形凸台密封端盖12固联垫板18形成灌封腔。中心杆1通过波纹管2、压环5及凸台支座6组成输出端。感温介质硅油通过灌油导管16灌封于感温导管3及波纹管2灌封腔空间，来自引气通道的空气流过伞骨架排列的感温导管3，导管3及其密封腔内感温介质硅油保持对温度的敏感度，为了对温度的敏感度，空气的温度通过感温导管3传递给密封腔内的感温介质硅油，温度变化引发灌封腔空间内的硅油产生膨胀或收缩，或部分被温度气化/或液化而产生压力变化（温度升高→硅油膨胀→波纹管2轴向伸长；温度降低→硅油收缩→波纹管2轴向收缩），推动波纹管2产生轴向伸缩运动，进而带动固联在波纹管2上的输出端中心杆1位移，此位移输出调节上一级安装在引气气源调节区的活门开度，从而控制引气系统控温区的引气温度。

为了提高灵敏度和精度，提供一种实现提高温度传感器灵敏度和精度的方法，按如下步骤，将中心杆1、波纹管2、感温导管3构成的组件设置在硅油容器中，控制灌封腔空间真空度，并将灌油导管16的管口控制在硅油面以下；然后将充满硅油的密封腔内组件同硅油容器一起放入真空设备的密封罩内，抽真空至1×10-2Pa，至少保压20分钟；再从硅油容器取出组件，放入烘箱中，并根据传感器性能要求，在100℃-210℃温度范围内确定一个温度点，在确定的温度点保温至少半小时，烘出部分硅油，保留性能需要的油量，为避免空气进入，立即对置于烘箱内的灌油导管16管口夹扁封口焊接。

传感器性能试验：波纹管2内腔硅油随温度升高膨胀，直到硅油充满内腔后，波纹管2才会随着硅油膨胀而伸长，进而带动固联在波纹管2上的输出端中心杆1位移，波纹管2内腔硅油充满起动后的伸长量与温度变化量呈线性关系。波纹管2的伸长量与使用寿命相关，在弹性范围内，伸长越大，使用寿命越短，且总伸长量有限，超过总伸长量波纹管2产生塑性变形，导致性能改变，甚至损坏。波纹管2内腔硅油量多，硅油充满内腔所需温度低，即起动温度低，波纹管2内腔硅油量少，硅油充满内腔所需温度高，即起动温度高。总伸长量决定于波纹管内外直径、长度、波片数，该传感器确定的波纹管2的总伸长量约1mm，比如波纹管2在30℃起动，到230℃时，波纹管2伸长2.0mm，这就超出波纹管2的总伸长量；在160℃起动，到230℃时，波纹管2伸长0.7mm。该传感器性能要求：在170-190℃时，温度每变化2℃，中心杆1位移变化量为(0.02±0.005)mm，位移0.2±0.02，最高温度230℃。为保证性能和使用寿命，得控制波纹管2在150~168℃时起动（此温度时波纹管2内腔充满膨胀后的硅油），即中心杆1开始移动，在温度168~230℃之间，波纹管2的伸长量与温度变化量成线性比例关系，即温度每变化2℃，位移变化量为(0.02±0.005)mm。如果低于150℃起动，到230℃时波纹管2总伸长量大于0.8mm（（230-150）/2*0.02=0.8）），易造成波纹管2失效。为此将充满硅油的组件置于烘箱中，在120℃保温半小时，焊接灌油导管16管口并密封，测试数据结果显示中心杆1在160℃左右移动，到230℃波纹管2的伸长量为0.7mm，其它指标满足传感器性能要求；

传感器性能要求：在190-210℃时，温度每变化2℃，中心杆1位移变化量(0.02±0.005)mm，位移0.2±0.02，最高温度230℃。把充满硅油的组件放在烘箱中，在130℃保温半小时，焊接灌油导管16管口并密封，测试数据结果显示中心杆1在180℃左右启动，到230℃波纹管2的伸长量为0.5mm，其它指标满足传感器性能要求；

传感器性能要求：在210-230℃时，温度每变化2℃，中心杆1位移变化量(0.02±0.005)mm，位移0.2±0.02，最高温度230℃。把充满硅油的组件放在烘箱中，在135℃保温半小时，焊接灌油导管16管口并密封，测试数据结果显示中心杆1在190℃左右启动，到230℃波纹管2的伸长量为0.4mm，其它指标满足传感器性能要求。

Claims (4)

1.一种控制引气控温系统活门开度的温度传感器，具有一个带法兰盘的柱台杯座（11），连接所述柱台杯座（11）的保护罩套筒（4）和感应引气系统控温区温度变化的感温导管（3），其特征在于：感温导管（3）穿过垫板（18），以灌油导管（16）为中心，等分圆周排列在垫板（18）上，并向上延伸穿过定位圆板（14），呈伞状骨架圆阵排列，并向顶端汇聚形成一定角度的锥形塔顶，底端通过垫板（18）和倒T形凸台密封端盖（12）形成密封腔，灌油导管（16）设于垫板（18）上，感温介质通过灌油导管（16）灌封在波纹管（2）及感温导管（3）的密封腔内，感温介质是硅油，在灌装硅油的过程中，中心杆（1）、波纹管（2）、感温导管（3）构成的组件设置在硅油容器中，控制灌封腔空间真空度，并将灌油导管（16）的管口控制在硅油面以下，在上述部件在真空环境和烘箱中达到预设时间后，对灌油导管（16）管口夹扁封口焊接；

中心杆（1）从上至下通过倒T形凸台密封端盖（12）、压环（5）、波纹管（2）和限制波纹管（2）伸长偏转的凸台支座（6）的中心孔（10），伸出柱台杯座（11）法兰盘组成输出端；通过灌油导管（16）灌封于波纹管（2）密封腔内的感温介质感受引气通道温度变化，感温介质膨胀及部分介质气化在灌封腔内产生压力变化，推动无拐点的S波形面且圆滑连接的波纹管波片组成的波纹管产生伸缩变形，驱动输出端中心杆（1）沿轴向位移，将引气流的温度变化量转化为位移变化量，位移输出调节上一级安装在引气气源调节区的活门的开度，控制引气系统的引气温度；为提高感温效率，使呈伞状骨架圆阵排列的感温导管（3）能够快速感温，保护罩套筒（4）筒体圆周上制呈圆周错落排列分布的通气孔（17），空气流从所述通气孔（17）流入保护罩套筒（4）；

按圆阵排列的感温导管（3）是至少由3根通过夹具弯曲成形的导管排列组成围绕灌油导管（16）为中心，且呈伞状骨架圆阵排列的锥形塔状感温元件；

波纹管（2）采用无拐点的S波形面且圆滑连接的波纹管波片（8）组成，波纹管波片（8）采用的波片材料是硬度HRC≥42，波片厚度小于0.08mm的高强度沉淀强化合金；凸台支座（6）凸台与波纹管（2）内孔的单面间隙为0.1mm。

2.按权利要求1所述的控制引气控温系统活门开度的温度传感器，其特征在于，压环（5）上端面设置有避让波纹管（2）底部波片弧度的凹槽（9）。

3.按权利要求1所述的控制引气控温系统活门开度的温度传感器，其特征在于，在伞状骨架圆阵排列的锥形塔状感温元件中，每个圆阵排列的感温导管（3）的弯曲倒角是通过定位圆板（14）支撑固定的。

4.一种提高如权利要求1所述的温度传感器的灵敏度和精度的方法，其特征在于包括如下步骤：将中心杆（1）、波纹管（2）、感温导管（3）构成的组件放置在硅油容器中，控制灌封腔空间真空度，并将灌油导管（16）的管口控制在硅油面以下；然后将充满硅油的密封腔内组件同硅油容器一起放入真空设备的密封罩内，抽真空至1×10-2Pa，至少保压20分钟；再从硅油容器中取出组件，放入烘箱中，并根据传感器性能，在100℃～210℃温度范围内确定一个温度点，在确定的温度点保温至少半小时，烘出部分硅油，保留性能需要的油量，为避免空气进入，立即对置于烘箱内的灌油导管（16）管口夹扁封口焊接。