疏水探針的製作方法

2023-07-29 22:09:16 1

專利名稱：疏水探針的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於帶保護管型二次複合全鎧裝熱電偶、熱電阻，可用於高溫高壓(及以下參數)的壓力容器及管道上進行流體介質的快速溫度測量。
背景技術：
常規帶保護套管的熱電偶(熱電阻)是由保護套管和帶絕緣材料(瓷珠、玻璃管等)的熱元件或鎧裝熱元件、接線盒(偶頭)等部分組成，其測溫的敏感區在其尖端(感溫端)，在測溫過程中被測介質的熱量先傳到套管端部，使端部金屬溫度上升，然後再經過套管與熱元件之間的接觸部分或空氣間隙、絕緣體等傳到熱元件(熱接點)，如果是鎧裝熱元件還須先加熱鎧體，然後經絕緣層傳到熱元件(熱接點)，在傳熱過程中因以下原因使傳熱過程變慢1、保護管及其端部體積較大、熱容量較大，所以溫升較慢。
2、如要求熱元件絕緣則保護管與熱元件不能直接接觸，只能通過空氣隙或絕緣層傳熱，使傳熱過程變慢。
3、如採用鎧裝熱元件，則往往鎧體與保護管之間為點接觸，有時接觸不良，即使採用彈簧壓緊方法也僅僅使點接觸稍好一點，但並不根本解決問題。
4、不少熱電偶(熱電阻)熱元件尺寸偏大，尤其是熱電阻，使本身熱容量大造成溫度變化慢。
5、由多層結構原因造成傳熱過程從外層傳到內層最後到達內部，使傳熱過程變得很慢。
由以上原因使常規帶保護管的熱電偶(熱電阻)在測溫過程中響應慢。國家標準衡量熱電偶(熱電阻)動態響應速度是其在階躍擾動下，變化量達到最終值的10％、50％和90％，經歷的時間τ0.1、τ0.5和τ0.9，一般常規帶保護管的裝配式熱電偶的τ0.5約為60-120秒左右。目前國內最好的高溫高壓帶保護管的熱電偶(熱電阻)的τ0.5也達不到30秒以下。

實用新型內容本實用新型的任務就是要解決就是熱電偶(熱電阻)在測溫過程中響應慢的問題。為此首先需要對帶保護管的熱電偶(熱電阻)的動態特性進行分析。
用熱電偶(熱電阻)進行溫度測量時，熱電偶的溫度變化(溫升)是由於有熱量從被測介質(熱源)向熱電偶元件流動，這屬於一個物體的加熱過程。在熱源溫度為θ1時，物體的溫度θ2會因θ1的變化而變化，設X＝θ1，Y＝θ2則物體在加熱過程的模型如

圖1。
該過程當輸入θ1為單位階躍函數時，其輸出將按指數曲線上升，見圖2。從圖2可以看出，物體的加熱過程是一個一階慣性環節，時間T為當輸出θ2上升到穩定輸出值K的0.632倍時所經歷的時間它代表該環節慣性的大小，稱為慣性時間常數。該環節的傳遞函數為G(S)＝K/(TS+1) ......(1)帶保護管的一般鎧裝熱電偶(熱電阻)的測溫過程可按從被測介質向保護管端部金屬(環節1)和從套管端部金屬向鎧裝熱元件鎧體端部(環節2)以及從鎧體端部向熱元件端部(熱電偶熱接點或熱電阻元件)(環節3)分為三個環節，這三個環節的測溫過程的動態特性也分別是一階慣性系統，設G1(S)、G2(S)、G3(S)分別為環節1、環節2和環節3的傳遞函數，K1、K2、K3分別為三個環節的增益，T1、T2、T3分別為三個環節的慣性時間常數，則三個環節的動態特性數學模型分別為G1(S)＝K1/(T1S+1)......(2)G2(S)＝K2/(T2S+1)......(3)G3(S)＝K3/(T3S+1)......(4)在測溫過程中，熱量從被測介質順序經過環節1，環節2和環節3達到熱元件敏感區，因此三個環節是串聯的。整個過程的傳遞函數G(S)為三個環節數學模型的乘積，即G(S)＝G1(S)·G2(S)·G3(S)＝K1·K2·K3/(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)＝K/(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1) ......(5)(5)式中，K＝K1·K2·K3，為整個系統的增益，按輸出Y為溫度算，其值為1℃/℃＝1，按輸出為熱電勢算，其值根據不同熱電偶的分度號按其熱電值曲線各段計算，其量綱為mV/℃。上述三個環節的慣性時間常數T1、T2、T3決定了熱電偶(熱電阻)測溫過程的動態特性(即動態響應速度)，它們可分別用其傳熱過程中的等效熱阻R1、R2、R3近似代替，在傳熱過程中，輻射、傳導和對流三種方式往往是同時存在的。在環節1中就存在三種傳熱方式；環節2是以輻射和傳導為主；而環節3則主要以熱傳導方式傳熱，但為了便於計算，我們將各種傳熱方式均折算到熱傳導方式即用等效熱阻描述。設三個環節的等效熱阻分別為R1、R2、R3，當不考慮軸向傳熱時，三個環節的慣性時間常數可分別表示如下
T1＝R1C1......(6)T2＝R2C2......(7)T3＝R3C3......(8)式中C1、C2、C3分別為三個環節傳熱目標物體的熱容量。從以上分析可知，帶保護管的熱電偶(熱電阻)測溫過程的動態特性屬於三階慣性系統，其階躍擾動下的飛升特性見圖3。圖3是一個常規帶保護管的熱電偶的飛升特性曲線，從圖中可以明顯看出其具有三階慣性環節的特點，具有一個純遲延段τ和一個等效容積時間常數Tc，其近似的數學模型為G(s)＝e-τS·K/(TcS+1) ......(9)根據上述(5)和(6)、(7)、(8)式，從理論上可以解釋改善帶保護管熱電偶(熱電阻)的動態特性，提高其測溫過程的響應速度的措施必須是減小T1、T2、T3，即是說必須減小三個環節的慣性時間常數，在製造方面所採取的以下技術措施是減小各環節的時間常數的基本途徑。
1)將保護管端部做成較細的圓柱體以減小端部體積是為了減小熱容量C1；2)選用小直徑鎧裝元件可減少熱容量C2和C3。
3)增加套管與偶芯元件接觸面積，並儘量減少空氣間隙是為了減小R2；4)採用高密度絕緣材料製造鎧裝元件可以減小R3；5)在安裝使用過程中，選擇被測介質流動區(避開流動死區)，如迎著流向等等，可減小R1。
為此本實用新型的靜態結構，即疏水探針採取的提高響應速度的措施是一種疏水探針，它由保護管、熱偶絲和絕緣層組成，其特徵是1、從保護管到感溫端為階梯形，使感溫端的直徑減小，進而其質量減少，從而減小C1；2、感溫端的頂部為半球體形，以增加傳熱面積；3、感溫端的內部結構為保護管、MgO絕緣層和熱偶絲，即將保護套管尖端與鎧裝元件的鎧體合二而一，使整個產品動態數學模型變成二階系統，即取消了從套管端部向鎧體端部傳熱的環節，可視為取消了C2，並使R2＝0，因此使T2＝0，同時MgO為高密度絕緣材料，無空氣間隙，提高鎧裝元件的熱傳導速度以減少R3；4、選擇小尺寸的熱偶絲，使C3減小從而降低T3。
在C1和C3減小，取消C2的情況下，大幅度降低R3，疏水探針在製造工藝上實現了最大限度地提高帶保護管的熱電偶(熱電阻)的動態特性的目的。
採取以上技術措施後，疏水探針獲得了動態響應時間τ0.5≤3秒的快速特性，與已有技術相比，響應時間大大縮短。
以下結合附圖進一步說明本實用新型。
圖1是物體的加熱模型圖。
圖2是物體加熱過程的飛升特性圖。
圖3是常規帶保護管的熱電偶的飛升特性曲線圖。
圖4是本實用新型的結構示意圖。
圖5是圖4I部的全剖圖。
具體實施方式它由保護管1、熱偶絲3和MgO絕緣層2組成，其特徵是(1)從保護管1到感溫端4為階梯形，使感溫端的直徑減小，進而其質量減少，從而減小C1；(2)、感溫端的頂部為半球體形，以增加傳熱面積；(3)、感溫端的內部結構為保護管1、MgO絕緣層2和熱偶絲3，即將保護套管尖端與鎧裝元件的鎧體合二而一，使整個產品動態數學模型變成二階系統，即取消了從套管端部向鎧體端部傳熱的環節，可視為取消了C2，並使R2＝0，因此使T2＝0，同時MgO為高密度絕緣材料，無空氣間隙，提高鎧裝元件的熱傳導速度以減少R3；(4)、選擇小尺寸的偶絲或微型薄膜熱電阻，使C3減小從而降低T3。
在C1和C3減小，取消C2的情況下，大幅度降低R3，疏水探針在製造工藝上實現了最大限度地提高帶保護管的熱電偶(熱電阻)的動態特性的目的。採取以上技術措施後，疏水探針獲得了動態響應時間τ0.5≤3秒的快速特性。
權利要求1.一種疏水探針，它由保護管、熱偶絲和絕緣層組成，其特徵是(1)從保護管到感溫端為階梯形，使感溫端的直徑減小；(2)感溫端的頂部為半球體形；(3)感溫端的內部結構為保護管、MgO絕緣層和熱偶絲；(4)選擇小尺寸的熱偶絲。
專利摘要疏水探針屬於帶保護管型二次複合全鎧裝熱電偶、熱電阻,可用於高溫高壓(及以下參數)的壓力容器及管道上進行流體介質的快速溫度測量。本實用新型的任務就是要解決現有熱電偶(熱電阻)在測溫過程中響應慢的問題。本實用新型提高響應速度的措施是:1.從保護管到感溫端為階梯形,使感溫端的直徑減小;2.感溫端的頂部為半球體形;3.感溫端的內部結構為保護管、MgO絕緣層和熱偶絲;4.選擇較小尺寸的熱元件。本實用新型可用於高溫高壓(及以下參數)的壓力容器及管道上進行流體介質的快速溫度測量。獲得動態響應時間τ
文檔編號G01K7/02GK2499812SQ01272240
公開日2002年7月10日 申請日期2001年12月18日 優先權日2001年12月18日
發明者欒文舉 申請人:瀋陽宇光溫控儀表有限公司