申请/专利权人：成都凯天电子股份有限公司

申请日：2018-03-02

公开（公告）日：2024-06-07

公开（公告）号：CN108387323B

主分类号：G01K7/18

分类号：G01K7/18;G01K1/08;G01K1/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.07#授权;2018.09.04#实质审查的生效;2018.08.10#公开

摘要：本发明公开的一种三重备份测温传感器，旨在提供一种能够提升传感器可靠性和降低体积与重量的三余度备份总温传感器。本发明通过下述技术方案予以实现：同轴相连感温传感器的双层密封金属探管的内管穿过感温传感器的金属喉道固联在后端尾盖上，并封装在金属外管相互独立的气流通道中；三组缠绕在电导体绕线筒上的铂丝引出六根铂金丝抽头，分别连接曲头接线片和引出导线，气流通过金属外管管筒环孔和电导体绕线筒，经探头测量端流入双层密封金属探管的内管壁面，借助金属喉道拉瓦尔原理变为音速气流，将气流动能转化为相应的三重备份电阻信号，提供给发动机控制系统转换为三路通道的三余度电信号。

主权项：1.一种三重备份测温传感器，包括：通过流线型支架（2）固联在螺纹连接盘（3）盘体上的感温传感器（1）和线缆套筒（4），其特征在于：同轴相连感温传感器（1）的双层密封半导体探管（9）的内管通过隔热层，穿过感温传感器（1）的金属喉道（7）固联在后端尾盖上，并封装在金属外管（6）相互独立的气流通道中；三组缠绕在电导体绕线筒（14）上的铂丝（13）引出三根铂丝抽头，分别连接曲头接线片（8）和引出导线（10），气流通过金属外管（6）管筒环孔和电导体绕线筒（14），经探头（5）测量端流入双层密封半导体探管（9）的内管壁面，借助金属喉道（7）拉瓦尔原理变为音速气流，在双层密封半导体探管（9）内外壁面上形成不同速率的气流阻滞附面层，将气流动能转化为塞贝克效应热能，铂丝电阻与被测介质间的对流传热热能与大气静温一起被三组铂丝（13）和感温传感器（1）测量端感受，三组铂丝（13）随热能温度变化而变化的铂电阻，利用金属铂丝在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性将感测到的温度转换为相应的电阻信号，通过导线（10）分别输出相互独立且同等性能的三重备份电阻信号，提供给发动机控制系统转换为三路通道的三余度电信号；双层密封半导体探管（9）包括尾部制有金属喉道（7）台阶圆柱外管体和轴端带有探头（5）的内管体，以及封装在内外管体之间的绝缘层隔热体和铂丝线圈绕组，探头（5）台阶孔迎流面制有提高流速的倒角或圆锥孔。

全文数据：三重备份测温传感器技术领域[0001]本发明涉及一种可广泛用于气象、汽车、航空、工业自动化测量和各种实验仪器仪表等领域，利用元件电阻参量随温度变化的特性对温度与温度有关的参量进行检测的装置。尤其是用于发动机进口温度测量的三余度总温传感器。背景技术[0002]发动机控制系统的传感器由于工作于高温、高压、强振动的恶劣环境中，故障率较高，其可靠性对整个控制系统的正常工作具有决定性的作用。目前在航空发动机控制系统通常采用双余度结构或双余度加保护通道的结构，具有完全相同且相互独立的两个通道，两个通道互为热备份，某一通道出现故障时，控制系统可以切换到另一个通道工作。通过采用工作余度可以大大提高发动机传感器系统的可靠性。由于发动机控制系统提出了更高的可靠性要求，以需要采用余度技术来提高系统的可靠性，余度技术是提高系统任务可靠性和安全可靠性的一种技术。它可用可靠性不太高的部件，通过余度组成高可靠性系统，达到降低系统故障级别的目的。余度技术按照其实现方法的不同一般可分为硬件余度、软件余度以及时间余度。硬件余度是指在系统中引入多重硬件，虽然这些硬件不是系统实现其控制功能所必需的，但是，它们能使系统在故障发生的情况下继续正常工作。软件余度是指将一些关键软件复制多份存于存储器中，实现多重软件。而时间余度是指用重复某段程序甚至整个程序的方法来检测故障或从故障中恢复。但是系统余度的增加必然导致系统元部件数目的增加，重量的提高，加大了系统的复杂性，带来的后果是系统的基本可靠性下降。由于余度数过多会导致系统元部件数目增多，重量提高，反而加大系统的复杂性，导致系统基本可靠性降低，当增加的并联元件或系统单元数目大于两个或者三个时，靠增加余度元件或系统单元取得的可靠性和平均无故障间隔时间的增长将逐渐下降。为保证系统可靠性的增加不被余度布局带来的元部件增加的故障率相抵消，通常采用的最佳余度数为3〜5个。[0003]发动机工作时，其进口风速较高，风速在发动机表面阻滞会产生大量的热，使得传感器周围的温度升高，从而使传感器感温部件铂电阻产生电阻变化，从而测试到发动机进气总温•发动机一般是遵循压缩机特性曲线进行控制。在海平面标准条件下，该曲线中的总压和总温的比率可给发动机性能提供参考。该传感器可用于测量压气机进口温度，提供给发动机控制系统，用于控制的发动机压缩比。现有技术用于测量发动机进气口温度的测温传感器大多是一种带有阻值室和感温热电偶类温度传感器，其测温原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势一一热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。。但由于发动机进口部分温度较低，一般在300度以下，采用热电偶测试存在灵敏度不高、精度较低、而且补偿难度较大，加工周期较长，产品合格率不高，而使得国内目前仅有少数几家企业有能力生产类似传感器。目前，国内发动机配套的总温传感器仍为单余度或双余度结构。为了提高发动机控制系统的可靠性，需要增加总温传感器余度，在现有技术状况下，发动机控制系统仅能采用增加总温传感器数量来解决该问题，导致安装不便，重量和体积大幅度提升。现有技术温度传感器是钼电阻温度传感器，湿度传感器是湿敏电容湿度传感器，温度湿度传感器通常将铀电阻温度传感器与湿敏电容湿度传感器制作成为一体的，输出只有单一的冗余度的信号。这种方法存在有这样的缺点，就是在系统参数存在不确定性，以及系统参数随时间变化会产生变化，测量数据会产生严重的过失误差，造成了误报率较高。通常使用的铀电阻温度传感器零度阻值为100Q，电阻变化率为0.3851Q°C。常规的测试电流为PtlOO为lmA，Ptl000为0.511^。一般而言，铂电阻温度传感器?1'100是基于陶瓷AL2〇3基片上，在铀金层上激光刻出电路，使其电路的阻值在〇摄氏度的时候为1〇〇度，在镀上保护层，焊接引线然后焊上固定层的结构。在温度升高的时候，电阻值就会根据一定的温度系数进行增加，然后通过一定的计算方法来测试出该电路中的温度。铂电阻随温度有一一对应的依赖关系，可以近似为线性。根据测温传感器引线方式的不同，钼电阻分为二线制、三线制和四线制三种，三种引线方式各有特点，二线制引线方式具有引线简单，但存在的问题是测量误差较大，在测量中不可避免的引入线电阻误差，仅适合于测量精度要求不高的场合。两线制铀电阻温度传感器的测试方法比较简单，要用到两个运算公式，即Vout=KXIXRT+2r和RT=VouVK-1-2r，这种传感器只适用于测量系统与传感器之间距离比较近的情况，如果距离较远，测量的精确度会受到很大影响。三限制铂电阻传感器测量的精确度高于两线制，要用到运算公式Vo=RlARl+R4XVB-R2AR2+R3VB=R1R4-R2R31+R1R41+R2R3VB。电桥平衡条件为R1XRx+r3=R2XRptl00+rl。三线制引线方式采用一端引线为两根线，另一端引线为一根的方式，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，利用非平衡电桥原理，将各种电阻型传感器RT接入电桥回路，用桥路的非平衡电压反映出桥臂电阻的微小变化，检测出外界物理量的变化温度、压力等，但必须是全等臂电桥。工业上一般都采用三线制接法，三线引线方式引出的3根导线截面积和长度均相同，通常三线制电阻采用不平衡电桥法进行测量，在测量时可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。四线制铂电阻传感器的成本较高，需要运算公式计算Vout=KXIXRXR-RTA3XR+RT+2r。四线制引线方式中有两根线为供电电源线，另外两根为信号线。电源和信号是分开工作的，该方法可以有效的去除线电阻。如果待测电阻的阻值与导线电阻相当，甚至远小于导线电阻时就只能采用四线制的测量方法.该方法测量精度较高，但该方法需要传感器产生4根引线，在长距离传输过程中会增加成本以及整个测试系统的重量，不能满足某些特殊行业要求，主要用于高精度的温度检测。[0004]本发明是对现有技术总温传感器的进一步发展和改进。发明内容[0005]本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种抗震性好、稳定性好，热响应时间快、精度高，能够提升传感器可靠性，降低传感器系统的体积与重量，主要用于发动机进口温度测量的三余度总温传感器。[0006]本发明的目的可以通过以下措施来达到。一种三重备份测温传感器，包括:通过流线型支架固联在螺纹连接盘盘体上的感温传感器和线缆套筒，其特征在于：同轴相连感温传感器的双层密封半导体探管的内管通过隔热层，穿过感温传感器的金属喉道固联在后端尾盖上，并封装在金属外管相互独立的气流通道中；三组缠绕在电导体绕线筒上的铀丝引出六根铂金丝抽头，分别连接曲头接线片和引出导线，气流通过金属外管管筒环孔和电导体绕线筒，经探头测量端流入双层密封半导体探管的内管壁面，借助金属喉道拉瓦尔原理变为音速气流，在密封半导体探管内外壁面上形成不同速率的气流阻滞附面层，将气流动能转化为塞贝克效应热能，铂电阻与被测介质间的对流传热热能与大气静温一起被三组铀丝和感温传感器测量端感受，三组铂丝随热能温度变化而变化的铂电阻，产生变化的磁场，在变化的磁场中感应产生温差变化的电流，利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性将感测到的温度转换为相应的电阻信号，通过导线别输出相互独立且同等性能的三组电阻信号，提供给发动机控制系统转换为三路通道的三余度电信号。[0007]本发明相比于现有技术具有如下效果。[0008]抗震性好、可靠性强。本发明针对发动机系统需求，采用流线型支架固联在螺纹连接盘盘体上的感温传感器和线缆套筒相应的结构设计，使其在不增加体积、重量，不降低性能的前提下，将双层密封半导体探管的内管通过隔热层，穿过感温传感器的金属喉道固联在后端尾盖上，并封装在金属外管相互独立的气流通道中，保护双层密封半导体探管不被外界干扰与破坏。在不降低系统性能精度与可靠性的同时，减少了发动机进口控制系统中使用的航线可更换单元LRULeastRecentlyUsed数量，降低了传感器系统的体积与重量。[0009]热响应时间快、精度高。本发明针对发动机系统，采用曲头接线片紧贴双层密封半导体探管圆柱面，线圈绕组抽头通过曲头接线片分别连接线缆套筒的导线输出信号;气流流过探头通过双层密封半导体探管的内管壁面，在壁面上形成附面层，将气流动能转化为热能，热能与大气静温一起被感温传感器感受，送入感温传感器测量端转换成电阻信号，利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性将大气总温转化为电动势，将测出的大气总温信号通过线缆套筒线缆，输出相互独立，且同等性能的备份三余度电信号。在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化的50%所需要的热响应时间快，热响应时间彡T0.5。常温绝缘电阻值大于100MD。通过电流通过铂电阻的测量电流最大不超过1mA。大气总温信号通过线缆套筒线缆，输出相互独立的三组铂丝从电能到磁能再到电能转化，同时根据电阻与温度之间存在的函数关系改变了电压和电流大小，性能同等的三余度电信号，输出的三组信号使传感器具有自身三重备份的三余度的功能，减小了感温传感器出现故障而引起的一切不良后果，大大提升可靠性。[0010]稳定性好。本发明在传感器迎风面上设置一个流线型支架和一个强迫气流进气口的探管，能承受的静态外压而不破裂，安装方式简便牢固，不易在强震环境中发生松动和脱落。能够方便地将流线型支架固联在螺纹连接盘盘体上，安装在发动机进气口内，以优良的机械强度，使用寿命长。应用温度范围广，中低温区-7TC-30rC。附图说明[0011]图1是本发明三重备份测温传感器三维示意图。[0012]图2是图1的局部剖视图。[0013]图3是图1流线型支架的结构图。[0014]图4是图1引出部位的结构图。[0015]图5是图2电导体绕线筒构造示意图。[0016]图6是感温传感器的原理示意图。^[0017]图中：1感温传感器，2流线型支架，3螺纹连接盘，4线缆套筒，5探头，6金属外管，7金属喉道，8曲头接线片，9双层密封半导体探管，10导线，11绝缘层，12金属屏蔽套，13铀丝，14电导体绕线筒下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。具体实施方式[0018]参阅图1-图4。在以下描述的实施例中，一种三重备份测温传感器，包括:通过流线型支架2固联在螺纹连接盘3盘体上的感温传感器1和线缆套筒4。同轴相连感温传感器1的双层密封半导体探管9的内管通过隔热层，穿过感温传感器1的金属喉道7固联在后端尾盖上，并封装在金属外管6相互独立的气流通道中，曲头接线片8弹性紧贴于双层密封半导体探管9圆柱面，并连接信号环形变压器次级线圈绕组抽头测量端，线圈绕组抽头通过曲头接线片8分别连接线缆套筒4的导线10输出信号;气流流过探头5通过双层密封半导体探管9的内管壁面，在壁面上形成附面层，将气流动能转化为热能，铀电阻与被测介质间的对流传热热能与大气静温一起被感温传感器1感受，感温传感器1中的三组独立的铂电阻基于金属导体或半导体材料的电阻与温度之间存在一定的函数关系，即由于温度变化金属导体和半导体的电阻随之而变化的原理，将感测到的温度转换为相应的电阻信号，通过线缆套筒4线缆，输出相互独立，且同等性能的三余度电信号分别提供给测试系统。[0019]双层密封半导体探管9包括尾部制有金属喉道7台阶圆柱外管体和轴端带有探头5的内管体，以及封装在内外管体之间的绝缘层隔热体和铀丝线圈绕组。探头5台阶孔迎流面制有提高流速的倒角或圆锥孔。当外界温度发生变化后，三组铀丝铀电阻的电阻值也随之相性变化，三组独立的铂电阻基于金属导体或半导体材料的电阻与温度之间存在连续变量的电阻-温度多项式函数Rt二ROX1+a|t-tO|温度电阻变换函数关系，对温度传感器输入了一个从〇°C至80°C的温度阶跃信号x⑴，由导线10将这种变化引导出，供给测试系统进行测试，测试出外界温度，其中，Rt为铂热电阻在t°C时的电阻值;R0为铀热电阻在0°C时的电阻，a为铂热电阻温度系数，（t在0〜630°C之间）。由铂热电阻的电阻值可以推导出相应的电压值与温度之间的函数关系，S卩Ut二fRt=f[f⑴]，从而计算出（即测量实际的温度。在3〇TC时持续300小时，0°C时的最大温度漂移为1°C，0•02°C。电阻温度系数为3.9X10一3°C，0°C时电阻值为1〇〇Q，电阻变化率为〇.3925Q°C。[0020]参阅图3。流线型支架2位于感温传感器1和螺纹连接盘3之间，流线型支架2迎流方向呈纺锤形，迎气流方向边缘保持锐角的中空纺锤形体。该结构具有风阻小、重量轻、结构牢固的优点。经计算，流线型支架2的长度为35mm-45mm为最佳，在避免气流附面层扰动的同时，增加产品结构强度，适应发动机的机械环境。[0021]参阅图4。线缆套筒4可以采用金属屏蔽套12填充绝缘层11的筒体，筒体内充高密度氧化物绝缘体，绝缘层11包裹四线制导线10,这样可避免外部机械损伤和电磁干扰，可消除电缆电阻对测量精度的影响。线缆套筒4将传感器所感测到的总温信号传输给发动机控制系统。[0022]参阅图2、图5。铂丝线圈绕组至少由三组等同的绝缘铂金丝电阻绕制而成，三组等同的铂金丝电阻至少有六根抽头，铂金丝电阻的六根抽头线在绕线范围内以相等的间隔进行绕线，线匝沿轴向按层依次排列连续绕制，三组抽头分别连接曲头接线片8和引出导线。六根均等密绕铂金丝电阻引出导线分为三组，穿过密封的外壳与线缆套筒4相连接。4根为一个输出。本实施例在传感器迎风面上设置一个进气口强迫气流进入，借助金属喉道7使不同环境下的气流在进入气流通道后速度恒定为音速，变为音速的气流再经过阻滞作用被感温传感器1感测，感温传感器1中的三组独立的铀电阻基于金属导体或半导体材料的电阻与温度之间存在的变换函数关系，即由于温度变化金属导体和半导体的电阻随之而变化的原理，将感测到三组独立的大气总温转换为相应的电阻信号分别提供给测试系统。测试系统的数据采集系统同步记录温度传感器阶跃输入温度信号和输出的温度阶跃响应信号yt。[0023]参阅图6。为减少导线电阻引起的测量误差，感温传感器可以采用总共12根导线，每4根为一个输出。感温传感器1采用从铂电阻两端引出4根线，接线时电路回路和电压测量回路独立分开接线的四线制连接，以每4根为一组并联一个可变电阻Rt，可变电阻Rt分可变电阻Rtl、可变电阻Rt2、可变电阻Rt3、可变电阻Rtl四组输出，可有效消除电缆造成的误差。四线制连接导线的电阻和接触电阻会对铀电阻测温精度产生较大影响，采用四线制接线方式能有效消除这种影响。可提高测量精度。[0024]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

权利要求：1.一种三重备份测温传感器，包括:通过流线型支架2固联在螺纹连接盘3盘体上的感温传感器1和线缆套筒4，其特征在于：同轴相连感温传感器⑴的双层密封半导体探管9的内管通过隔热层，穿过感温传感器（1的金属喉道⑺固联在后端尾盖上，并封装在金属外管6相互独立的气流通道中；三组缠绕在电导体绕线筒（14上的铂丝（13引出三根铂金丝抽头，分别连接曲头接线片（8和引出导线（10，气流通过金属外管¢管筒环孔和电导体绕线筒（14，经探头⑸测量端流入双层密封半导体探管9的内管壁面，借助金属喉道⑺拉瓦尔原理变为音速气流，在密封半导体探管⑼内外壁面上形成不同速率的气流阻滞附面层，将气流动能转化为塞贝克效应热能，铂电阻与被测介质间的对流传热热能与大气静温一起被三组铂丝（1¾和感温传感器（1测量端感受，三组铂丝（13随热能温度变化而变化的铀电阻，利用金属铀在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性将感测到的温度转换为相应的电阻信号，通过导线（10别输出相互独立且同等性能的三重备份电阻信号，提供给发动机控制系统转换为三路通道的三余度电信号。2.如权利要求1所述的三重备份测温传感器，其特征在于:双层密封半导体探管9包括尾部制有金属喉道7台阶圆柱外管体和轴端带有探头5的内管体，以及封装在内外管体之间的绝缘层隔热体和铂丝线圈绕组，探头5台阶孔迎流面制有提高流速的倒角或圆锥孔。3.如权利要求1所述的三重备份测温传感器，其特征在于：当外界温度发生变化后，三组铂丝铂电阻的电阻值也随之相性变化，三组独立的铂电阻基于金属导体或半导体材料的电阻与温度之间存在连续变量的电阻-温度多项式函数Rt=R0X1+a|t-tO|温度电阻变换函数关系，对温度传感器输入了一个从〇°C至8TC的温度阶跃信号x〇:，由导线10将这种变化引导出，供给测试系统进行测试，测试出外界温度，其中，Rt为铂热电阻在t°C时的电阻值;R0为铂热电阻在〇°C时的电阻，a为铂热电阻温度系数。4.如权利要求1所述的三重备份测温传感器，其特征在于:流线型支架2位于感温传感器（1和螺纹连接盘3之间，流线型支架2迎流方向呈纺锤形，迎气流方向边缘保持锐角的中空纺睡形体，且流线型支架2的长度为35mm-45mm。5.如权利要求1所述的三重备份测温传感器，其特征在于:线缆套筒4采用金属屏蔽套（12填充绝缘层（11的筒体，筒体内充高密度氧化物绝缘体，绝缘层（11包裹四线制导线⑽。6.如权利要求1所述的三重备份测温传感器，其特征在于:铂丝线圈绕组至少由三组等同的绝缘铂金丝电阻绕制而成，三组等同的铂金丝电阻至少有六根抽头，铂金丝电阻的六根抽头线在绕线范围内以相等的间隔进行绕线，线匝沿轴向按层依次排列连续绕制，三组抽头分别连接曲头接线片⑻和引出导线。7.如权利要求6所述的三重备份测温传感器，其特征在于:六根均等密绕铂金丝电阻引出导线分为三组，穿过密封的外壳与线缆套筒⑷相连接。8.如权利要求1所述的三重备份测温传感器，其特征在于:在传感器迎风面上设置一个进气口强迫气流进入，借助金属喉道7使不同环境下的气流在进入气流通道后速度恒定为音速，变为音速的气流再经过阻滞作用被感温传感器（1感测，感温传感器（1中的三组独立的铂电阻基于金属导体或半导体材料的电阻与温度之间存在的函数关系，基于温度变化金属导体和半导体的电阻随之而变化的原理，将感测到三组独立的大气总温转换为相应的电阻信号分别提供给测试系统。_9.如权利要求1所述的三重备份测温传感器，其特征在于:感温传感器采用总共12根导线，每四根为一个输出。10.如权利要求9所述的三重备份测温传感器，其特征在于:感温传感器⑴采用从铂电阻两端引出四根线，接线时电路回路和电压测量回路独立分开接线的四线制连接以每4根为-组并联-个可变电阻Rt，可变电阻Rt分可变电阻Rtl、可变电阻R可变幢_电阻Rtl四组输出。又电出町么口」义

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