溫包型溫度傳感器的工質選擇

王戰生

（航空工業太原航空儀表有限公司，太原030006）

0 引言

溫包型溫度傳感器屬于物敏型機械式溫度敏感元件，其工作原理是利用某些物質受熱膨脹，將溫度的變化轉化為位移量或力的變化而輸出。溫包型溫度傳感器具有工作可靠耐用、抗干擾、動態特性良好、安裝簡便等優點，在制冷空調、工業控制領域得到了廣泛應用，在航空發動機及飛機控制系統中主要用來測量壓氣機進口的空氣總溫、燃油和滑油溫度等[1]。

“溫包”來源于對“bulb”的音譯和意譯的結合，其典型應用有以下2種形式：（1）將傳感器的輸出通過儀表指示被測溫度時，構成壓力式（或膨脹式）溫度計；（2）將輸出變形通過執行機構（如閥門、開關等）對被測溫度進行反饋調節時，構成溫度調節器或溫度控制器[2]。

本文對溫包型溫度傳感器內部充填的工作介質進行了研究，根據工質的熱力學特性及傳感器的使用溫度范圍，將其分為氣態、液態、蒸汽態3種類型，闡述了溫度變化導致的工質物理狀態參數變化規律及其在傳感器設計計算中的一般原則[3]。其中蒸汽態工質的計算涉及流體的飽和蒸汽壓方程，屬于流體熱物理化學研究的熱點范疇。介紹了國內理論物理學界近年來在該領域取得的國際領先的研究成果，首次將該成果用于溫包型溫度傳感器的工業應用領域。文中范例均來源于作者所在單位的產品實例，可供有關使用和研究部門借鑒參考。

1 溫包工質的分類與計算

根據傳感器外型結構的不同，可分為整體式溫包和遠傳式溫包，如圖1所示。整體式溫包由波紋管或焊接波紋管與兩端接頭零件組合焊接而成，內腔充灌液體工質后通過接頭零件（或毛細管）封嚴，成為封閉的液囊[4]。構成溫包的常見彈性元件包括膜盒、波紋管、焊接波紋管、包端管等。遠傳式溫包中的彈性元件也被稱為動力件，動力件和感受被測溫度的液囊（溫包）之間通過導管連接并構成封閉的內腔，其內填充工質。在工作時溫包被置于測量區域感受所測溫度，工質的膨脹通過導管傳遞至動力件后輸出。

根據工質在工作溫度區間所處的形態，可將溫包分為以下3種類型。

圖1 溫包型溫度傳感器的典型結構

1.1 氣態（G態）溫包

氣態溫包工作溫度區間位于工質臨界溫度以上，內腔壓力P高于工質臨界壓力Pcr，并隨工作溫度T升高而升高，彈性元件在P作用下產生變形輸出位移。P、T符合范德華（Van der Waals）方程

式（1）是在理想氣體狀態方程PV=nRT的基礎上，引入分子吸引力修正系數a及分子容積修正系數b而得來的，a和b統稱為范德華常量，其值由試驗測定。

式（1）可改寫為

式中：Vm=V·n-1，為摩爾體積（也稱為比容），與氣體種類無關，其中V為容器容積，n為氣體摩爾數（即充入氣體的物質的量，與充氣壓力相關），當彈性元件的工作變形引起的溫包容積的變化量遠小于溫包初始容積時，可視V為常數，Vm也即為常數；R=8.314 J·mol-1·K-1，為摩爾氣體常量。

代入式（2），P、T呈現為線性關系

常用氣態工質的特性參數見表1。

表1 常用氣態工質特性參數

氣態溫包的應用案例如圖2所示。某型發動機的進口溫度傳感器即采用內部充氦氣的溫包敏感元件，內部充氦壓力為0.16 MPa，最高耐壓為1.8 MPa[7]。進口溫度傳感器將發動機的進氣溫度信號轉換為液壓信號，通過燃油調節器、噴口調節器自動調節發動機的供油量和噴口面積，滿足發動機在全包線范圍的正常工作。

圖2 某發動機的溫度傳感器

1.2 蒸汽態（V態）溫包

蒸汽態溫包工作溫度區間位于工質沸點以上、臨界溫度以下，溫包內腔壓力對應于工質的飽和蒸汽壓力，彈性元件在飽和蒸汽壓的作用下產生變形輸出位移。

1個多世紀以來，各國學者提出了數十種蒸汽壓方程，著名的有Clapeyron、Antonine、Wagner方程等，但存在精度低、適用范圍窄、參數繁雜使用不便等不足[8-13]。中國學者在20世紀末提出的項-譚方程，因具有高精度、普適性等物理數學特點而廣受矚目

式中：Tr=T/Tc，為對比溫度，Tc為臨界溫度；Pr=P/Pc，為對比壓力，Pc為臨界壓力；τ=1-Tr。

常用工質的項-譚蒸汽壓方程的參數和臨界參數見表2[5]。

表2 常用工質的項-譚蒸汽壓方程的參數和臨界參數

常用氟利昂類工質的飽和蒸汽壓P與溫度T的對應關系如圖3所示。該圖是根據對比態定律及熱力學相似理論計算繪制，并經試驗驗證。從圖中可見，P與T成非線性關系，P增加比T快得多。所以，V態工質溫包在工作中的上限溫度需嚴格控制，以防溫度過高導致傳感器超壓而破壞失效。

通常也稱采用G、V態工質的溫包為壓力式溫包。

圖3 飽和蒸汽壓-溫度曲線

蒸汽態溫包的應用案例如圖4所示。某直升機附件的進氣道防冰組件中的溫包感受環境溫度的變化，環境溫度升高時（-20～13℃），溫包膨脹而克服彈簧的壓縮力，帶動杠桿組件圍繞支點逆時針擺動，增加噴嘴與杠桿組件間的距離，達到調節下游壓力的作用；反之亦然。

圖4 某直升機附件中的溫度傳感器

1.3 液態（L態）溫包

液態溫包工作溫度區間位于工質熔點以上、沸點以下，彈性元件在工質的體積膨脹作用下產生變形輸出位移，其體積增量△V與t/℃的關系為

式中：V0為0℃時的體積。

或者按下式計算

式中：α為平均體膨脹系數。

而彈性元件的位移S、有效面積A0與△V的關系為

由式（5）、（7）可直接得出溫包的溫度-位移關系為線性關系

常用液態工質的體積膨脹系數見表3。通常稱采用L態工質的溫包為（體）膨脹式溫包。由式（8）可知，（體）膨脹式溫包的位移與有效面積成反比。所以在容積尺寸相同的情況下，為了提高溫包的靈敏度，應盡量減小彈性元件的有效面積。

液態溫包的應用較為廣泛（如圖5所示），普遍用于航空發動機附件中的進氣總溫、燃油溫度等測量，測溫區間為-50～100℃[6]。

表3 常用液態工質特性參數

2 溫包工質的選取

工質與構成溫包的彈性元件、導管等載體零件的材料之間應該互相呈現惰性、互不溶解、不發生化學反應，無腐蝕或應力腐蝕傾向，以確保溫包在壽命期內可靠工作。工質在工作溫度區間應性狀穩定，不應分解失效。

圖5 各型膨脹式溫包溫度傳感器

當溫包設定的工作溫度區間對應多種形態工質可供選擇時，應選擇L態工質，制成膨脹式溫包。L態工質應滿足以下要求：（1）有較大的體膨脹系數、并在感溫區段內線性度好；（2）有較小的密度與黏度，在低溫時有較好的流動性。膨脹式溫包易于實現線性的溫度-位移特性，同時便于匹配彈性元件。僅需控制彈性元件有效面積一致，即可保證溫包性能的一致，在批量生產中更易于實現穩定生產。膨脹式溫包的位移與有效面積成反比，所以在容積尺寸確定的情況下，采用有效面積小的、細長的波紋管類彈性元件作為溫包載體，有助于提高溫包的靈敏度。當工作條件一致時，由于液體體積壓縮彈性模量遠大于氣體，膨脹式溫包具有比壓力式溫包更大的力輸出特性，可以用于直接驅動執行機構。

V態溫包則一般作為溫度開關使用，適用于工作區間溫差較小、靈敏度要求高的場合。G態溫包要求彈性元件滿足預定的壓力——位移特性，同時工作壓力較高，對系統提出了較高的耐壓要求。壓力式溫包的輸出特性易于受環境氣壓、溫度變化的影響，帶來溫包特性誤差。選擇G、V態工質時，應考慮環境氣壓和溫度變化對溫包特性的影響，必要時予以補償。

在選用遠傳式結構時，無論充灌何種工質，設計時都應盡可能減小動力件的內腔容積，以減小動力件所處環境溫度變化對溫包特性的附加影響。對溫包測量精度要求較高時，可以通過增加結構尺寸與動力件一致的溫度補償器、與動力件配對使用的方式，來補償和消除環境溫度變化造成的附加誤差。

對溫包動態性能即時間常數有較高要求時，應優先選擇導熱系數較大、比熱容小的工質和載體材料（見表4），并且盡可能減小溫包體積。

表4 不同工質的適用范圍[1]

3 溫包工質的充注

充注工質時，除了常規的高效、無泄漏、無污染等基本工藝要求外，普遍采用真空充注工藝，以盡可能將溫包內腔空氣排出后被工質所充滿。否則在膨脹式溫包內將由于氣體的存在而產生非線性誤差。在充注膨脹式溫包前，應對硅油類工質進行加溫和真空等脫水、脫氣處理，盡可能排除溶解在工質中的氣體雜質的影響[14]。

V態溫包在工作過程中，存在著感應溫度轉化成壓力傳遞的過程。只有當感溫系統中氣液共存時，才能夠完成這一轉換[15]。為使得感溫系統能夠正常工作，感溫包內的充注液的狀態必須是氣液兩相，感溫系統的壓力始終為飽和蒸汽壓力。

4 結束語

雖然溫包類溫度傳感器的工作原理簡單，但每種溫包都是綜合了熱物理-彈性力學原理的小微復雜機械系統，在批量生產時實現集中一致的溫度—位移特性和達到較高的合格率并不容易。研制時首先進行計算仿真，設計方案在投產前還需通過試驗批的驗證。在溫包結構設計上應設置工藝調節環節、預留調整余量，以便根據試驗結果進行微調修正，快速迭代形成滿足性能要求的技術方案。

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