《(3.5.1)--3.5温度敏感元件.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(3.5.1)--3.5温度敏感元件.pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、513.1.4温度敏感元件用来测量温度的元件，称为温度敏感元件。目前常用的温度敏感元件主要有热电式、电阻式、充填式和双金属片式。3.1.3.1热电式温度敏感元件（1）工作原理热电式温度敏感元件是利用两种金属的热电现象，将被测介质的温度变化转换成电量的变化。如图 342 所示，采用两种不同材料的金属丝，把它们的两端焊接起来，组成闭合回路，使接点 2 和高温（2t）的物体相接触，称为热端或工作端，接点 1 和低温（1t）的物体相接触，称为冷端或自由端。由于这两个接点温度不相等，两种金属内的不同密度的自由电子的扩散能力就不相同，表现出不同的电势，热端电势大于冷端电势，即21()()e te t,整个
2、回路电势E的大小，就是接点 1 与 2 两点电势之差，即图 342热电偶工作 21Ee te t（353）当冷端温度1t为常数，例如1t0时2()Ee tc此时，E的大小仅和热端温度有关，串联在回路中的毫伏表测出的电势代表了热端温度的高低。（2）性能分析a.静态特性热电偶的静态特性是指热端温度与热电势的关系。目前广泛采用的温度热电势关系均规定冷端的温度为 273K，这样的关系曲线，就是热电偶的静态特性，它一般采用实验方法确定，图 343 为几种常用热电偶的静态特性曲线。52图 343常用热电偶静态特性曲线1.镍铬考铜2.铁考铜3.铜考铜由图 343 可见，热电偶静态特性曲线可近似认为是线性的，
3、因而其静态方程可写为2Eat（354）式中a为温度系数，即热端温度升高 1 度所增加的电势。b.动态特性热电偶的动态特性是指当感受的介质温度突然变化时，热电偶的输出电势随时间的变化规律。热电偶在感受介质温度时，如介质温度突然升高，介质的热传导到热端，即热端的温度升高和回路内电势的升高需要一定时间，带来响应的滞后。依据热传导公式，当介质温度突然升高，在dt时间范围内，自介质传向热端的热量dQ为21dQA tt dt式中传导系数，与介质种类及流动状况有关；A热电偶和介质的接触面积，即传热面积；2t介质温度；1t热电偶热端温度。在同一时间范围内，热电偶热端吸收的热量为1dQcmdt式中c热端的比热m
4、热端的质量由于同一时间范围内传向热端的热量与热端的吸收量相等，便有211A tt dtcmdt即202101101A tttt dtcmd tt 因1020tt，故112dtcmttAdt 53又因1Et 或1tE则2dEcmEtAdt 无因次得2yydETEK tdt（355）式中ycmTA热电偶的时间常数；020EtKy热电偶的放大系数。式（355）即为热电偶的动态方程，它是一个惯性环节。由于时间常数yT存在，使热电偶对温度的响应总是滞后于介质温度的变化。为了减小时间常数，目前大都采用加大热电偶的传导面积A和提高传热系数的办法来达到。值得指出的是：根据实验和理论计算结果证明，对同一热电偶，
5、其时间常数不仅受元件尺寸和形状的影响，而且还受燃气流动条件（如流量、总温等）、热传导、热辐射及热电偶在燃气中的安装方位等多重因素的影响，因而动态方程是在一定假设条件下成立的。然而，由于热电偶结构简单，能承受振动，还便于远距离控制，维修方便，所以它仍得到广泛的应用。3.1.3.2充填式温度敏感元件充填式温度敏感元件是利用某种物质在温度变化时，其体积变化而产生压力或位移输出的原理制成的。图 344 所示系一种充填式温度敏感元件。密封金属外套内安装有一个波纹管，波纹管上端焊在外套上，另一自由端则与顶杆焊在一起，波纹管和外套之间充满液体（或气体或饱和蒸汽）。当被测介质的温度改变时，充填液体的温度也随之
6、改变，因此，液体的体积发生相应的变化，波纹管受到挤压或拉伸，其自由端产生向上或向下位移，从而带动顶杆亦相应地移动，输出信号y。所充填的液体一般为水银、二甲苯、甲醇、煤油聚伞花脂等。充气式，通常充填惰性气体，如氮气、氦气等，其工作原理与充填液体式相同。充蒸汽式，通常充低沸点的液体，如氯甲烷、丙酮等。当所感受的介质温度升高时，这种低沸点液体饱和蒸汽压亦相应升高，压缩波纹管，使波纹管向上移动，顶杆上移输出位移信号。这种结构的密封套内，通常三分之二的容积充满低沸点液体，在其余三分之一容积内充满了它的蒸汽。这样，它的密封外套尺寸可做得比较小，而且灵敏度比较高，但其输入量和输出量之间线性度不好。图 345
7、 为一螺旋毛细管式温度敏感元件，其螺旋管内充满某种气体（或饱和蒸汽）。把螺旋管置于被测介质中，当被测介质温度变化时，充填的气体（或饱和蒸汽）的压力发生变化，信号转换器（波纹管或膜盒等）感受此压力的变化而输出位移（或力）。图 344充填式温度敏感元件54充填式温度敏感元件工作可靠，但能感受的温度范围较小，故在发动机上主要用来测量压气机前的空气温度、燃油和滑油温度等。其主要特点如表 3l 所示。表 3-1充填式温度敏感元件主要特点类型充 液 式充 蒸 汽 式充 气 式能感受的下限温度（K）22022070能感受的上限温度（K）420570820时间常数（s）29170.54输入与输出关系线性非 线
8、 性线性工作介质煤油、水银等氯甲烷、丙酮等氮气、氦气等图 345螺旋毛细管式温度敏感元件3.1.3.3电阻式温度敏感元件电阻式温度敏感元件是利用导体或某些半导体的电阻值随温度变化的特性来测量温度的。这类敏感元件的输入量是温度，输出量是与电阻有关的电信号。对导体来说，温度升高电阻值增大；对半导体来说，温度升高，电阻值下降。实验表明，温度每升高 1，一般金属导体的电阻值升高（0.40.6）%；半导体的电阻值下降（1.65.8）。用导体制成的温度敏感元件称为热电阻；用半导体制成的温度敏感元件称为热敏电阻。图 346 为常用的热电阻桥式测量线路原理图。平衡电桥由三个常值电阻123,R R R和一个热电
9、阻TR，构成桥式电路的四个桥臂。热电阻放在被测介质中。在四桥的一根对角线上接着电源，而另一根对角线上接电流计或转换装置。当被测介质温度变化时电阻TR值也变化，桥式电路就会灵敏地感受温度的变化，并输出到转换装置上。热电阻的静态特性是指电阻值随温度变化的关系。对铜热电阻敏感元件来说，其特性是线性的，可用下式表示0(1)TRRT（356）式中0R温度为 273（K）时的电阻值；TR温度为 T（K）时的电阻值；电阻温度系数，即温度变化 1时电阻的相对变化量，铜的34.25 10/K。图 346热电阻桥式测量电路55铂热电阻的静态特性，在 273920（K）范围内可表示为20(1)TRRTT（357）在
10、 70273（K）范围内，则为2301(100)TRRTTTT（358）式中、与电阻材料有关的常数，由实验确定。从测量介质温度变化到金属丝电阻改变，要经过一段时间其动态特性与热电偶一样，是一个惯性环节。实际使用的热电阻敏感元件常常是密封在保护套内，热电阻丝缠在胶布或云母等绝缘骨架上，然后再装入不锈钢或玻璃等保护套管中。因体积较大，故不能用来测量某一点的温度。热电阻敏感元件在规定的测温范围内有较高的准确性、灵敏性和稳定性（特别是在低温时），这是热电偶不能相比的。但是所测量的温度上限较低，一般不大于 900K。因此在航空推进系统中，仅用于中、低温的测量如测量大气温度、压气机进口温度、燃油和滑油温度
11、等。热敏电阻是氧化锰、氧化铜等金属氧化物烧结而成的。对大多数热敏电阻来说，电阻与温度的静态关系不是线性的。热敏电阻在常温下的电阻值可在（1200）千欧，电阻温度系数可达5.8，约为热电偶的 10 倍，所以它有很高的灵敏度，而且可以忽略引线电阻的影响，便于远距离测量。热敏电阻可以制成各种大小和形状，如棒形，盘形和带状等。薄片状热敏电阻的响应时间仅几毫秒，故可用于快速测量。热敏电阻的缺点是非线性严重、互换性很差，低温时电阻很大，灵敏度不高；高温时则相反，稳定性变差。目前已有可测 1273（K）的热敏电阻，但一般只用到 570（K），下限温度一般为 100（K）。3.1.3.4双金属式温度敏感元件双
12、金属式温度敏感元件是由不同膨胀系数的两层金属片对焊在一起而制成的，其中，热膨胀系数小的一层称为被动层。双金属温度测量元件可以做成各种形状，如平面片状、圆碟状、平面螺旋状等，如图 347 所示。它的测温原理是基于温度改变时，双金属片产生弯曲的特性。例如，温度升高时，由于主动层的线膨胀系数大，伸长量大，被动层的线膨胀系数小，伸长量小。由于它们是牢固结合的，因此被动层必然对主动层产生牵制作用，从而使双金属片向被动层一边弯曲变形，这样双金属片便产生挠度，输出位移或力。双金属片温度敏感元件的静态特性是指在均匀受热条件下，双金属片输出位移（或输出力）与温度之间的关系。在大多数情况下，双金属片承受有外部载荷
13、，它的变形动作受到部分限制、此时温度变化一部分用来产生推力以与外部载荷平衡，另一部分用来产生位移。由于双金属片的材料、形状、受到限制的程度不一样，输出力和输出位移也不一样。双金属温度敏感元件的静态特性最终都要通过实验来确定。双金属片温度敏感元件也具有热惯性，其近似的动态方程的推导过程与热电偶相类似是一个惯性环节。3.1.3.5故障模式分析（1）热电偶的故障模式分析由于热电偶结构简单，能承受振动还便于远距离控制，维修方便，所以它仍得到广泛的应用。该类元件可能出现的故障模式及其故障原因如下：a.测量输出偏小（偏大）或测量无输出造成测量输出偏小（偏大）或测量无输出的可能原因有：（a）高温下氧化和腐蚀
14、，导致元件特性发生改变。图 347双金属片形状56（b）测量范围曾经超限，导致元件特性发生改变或失效。b.测量输出有延迟造成测量输出有延迟的可能原因有：（a）热电偶传导面积过小或传热系数过小，导致测量响应滞后时间较长。（b）高温下氧化和腐蚀，元件特性发生变化所致。c.高温下氧化和腐蚀，元件特性发生变化。（2）充填式温度敏感元件的故障模式分析充填式温度敏感元件结构简单，工作可靠，但测量范围窄，热惯性较大。该类元件可能出现的故障模式及其故障原因如下：a.测量输出偏小（偏大）造成测量输出偏小（偏大）的可能原因有：（a）顶杆磨损；顶针折断；顶杆变形。（b）密封外套或螺旋管密封不严或破裂，产生泄漏。（c
15、）波纹管老化或变形；波纹管密封不严或破裂。（d）测量范围曾经超限，导致元件特性发生改变。b.测量无输出造成测量无输出的可能原因有：（a）顶杆折断。（b）密封外套或螺旋管密封性极差或严重破损，密封外套与波纹管根本不能形成密闭的容腔；波纹管密封性极差或严重破损。（c）波纹管严重老化，造成永久变形。（d）测量范围曾经超限，导致元件失效。c.测量输出有延迟造成测量输出有延迟的可能原因有：（a）顶杆磨损或变形。（b）密封外套或螺旋管密封性差或破损，产生泄漏。（c）波纹管密封性差或破损，产生泄漏。（d）波纹管老化、变形，元件特性发生较大改变。d.顶杆磨损；顶针折断；顶杆变形。可能故障原因有：腐蚀、磨损；疲
16、劳、应力冲击。e.波纹管老化、变形或破裂。可能的故障原因有：疲劳、氧化、应力冲击。f.密封外套或螺旋管老化、变形或破裂。可能的故障原因有：疲劳、氧化、应力冲击。（3）电阻式温度敏感元件的故障模式分析电阻式温度敏感元件结构简单，工作可靠；灵敏度高，便于远距离测量；响应快，便于快速测量，但测量范围较窄。该类元件可能出现的故障模式及其故障原因如下：a.测量输出偏小（偏大）造成测量输出偏小的可能原因有：（a）元件老化或变形，导致元件特性发生改变。（b）测量范围曾经超限，导致元件特性发生改变。b.测量输出不稳定造成测量输出不稳定的可能原因有：（a）元件老化、变形，导致元件特性发生改变。（b）元件本身的特
17、性所决定。例如，热敏电阻在高温时其测量输出不稳定，而低温时则相对较稳定。c.测量无输出造成测量无输出的可能原因有：（a）元件严重老化，导致元件失效。57（b）测量范围严重超限，导致元件失效。d.测量输出有延迟造成测量输出有延迟的可能原因有：（a）元件本身的热惯性较大。（b）元件严重老化或测量范围超限，导致元件特性发生改变。e.元件老化、变形。可能的故障原因有：高温氧化、应力冲击、弹性变形。（4）双金属片式温度敏感元件的使用可靠性双金属片式温度敏感元件应用广泛，由于结构简单，所以它的可靠性是比较高的。该类元件可能出现的故障模式及其故障原因如下：a.测量输出偏小（偏大）造成测量输出偏小（偏大）的可能原因有：（a）元件磨损、变形；元件老化；元件断裂。（b）测量范围超限，导致元件特性发生改变。（c）元件本身的挠度偏小（偏大）。b.测量无输出造成测量无输出的可能原因有：（a）元件断裂、失效。（b）元件严重老化造成永久变形。c.测量输出有延迟造成测量输出有延迟的可能原因有：（a）元件磨损、变形；元件老化。（b）测量范围超限，导致元件特性发生改变。（c）元件本身的热惯性较大。d.元件磨损、变形；元件老化；元件断裂。可能的故障原因有：高温氧化、疲劳、应力冲击。