接觸式光纖測溫頭的製作方法

2023-10-30 13:28:42

專利名稱：接觸式光纖測溫頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種接觸式溫度測量探頭。
目前公知的接觸式高溫測量探頭多是用鉑銠熱電偶、鎢錸熱電偶等，其結構是在耐高溫材料護套中放入熱電偶絲，用導線將熱電勢傳給二次儀表進行溫度測量。
但是，熱電偶絲很細，在高溫下會因濺射而使用壽命不長；在有強電磁場的環境下工作容易受幹擾；在用金屬護套情況下，易產生電氣短路故障。
本實用新型的目的是提供一種測量精度高、壽命長、抗電磁幹擾且不存在電氣短路問題的接觸式光纖測溫頭。
本實用新型的原理是根據黑體熱輻射與溫度的關係，利用光纖和光電轉換元件作傳感器來實現溫度測量，從而提供一種接觸式光纖測溫頭。
本實用新型是這樣實現的該測溫頭由輻射頭和傳感頭組成，輻射頭是一個端頭封閉的管狀腔體，該腔體的開口端與傳感頭軸向連接，傳感頭至少包括光欄管、光纖、光纖套、支承套、紅外濾光片和光電轉換元件，其中光欄管的一端開口，另一端有一個位於光欄管軸心上的銳邊園孔，作為輻射頭黑體腔的熱輻射輸出口，光纖通過光纖套和支承套設置在光欄管的軸線上，光纖的一端與位於光欄管的軸心的光欄孔軸向相隔一定距離，光纖的另一端與紅外濾光片也軸向相隔一定距離。紅外濾光片的作用是濾除熱輻射中的可見光，免除可能出現的光幹擾，此濾光片緊貼於光電轉換元件的光敏面上，且濾光片、光電轉換元件的中心位於上述光欄孔、光纖形成的光軸上，光電轉換元件通過上述設置獲取信號並通過其輸出端輸出電信號。
上述測溫頭獲取的電信號可進一步送入前放電路放大並傳送到二次儀表進行顯示和控制。
上述測溫頭中光纖靠近濾光片一端與濾光片的距離，等於或略小於光電轉換元件的光敏面直徑，以便能充分吸收光纖傳送的熱輻射信號。
在製造和裝配上述的接觸式光纖測溫頭時，最好輻射頭與光欄管同軸連接。
上述測溫頭的輻射頭通過與其套接的一端具有外螺紋的腔套和具有內螺紋的鎖緊輪以及光欄管上的一個凸緣與光欄管連接。
在上述的接觸式光纖測溫頭中，腔套是用高溫膠粘在輻射頭的開口端，且腔套與輻射頭同軸。
在上述的接觸式光纖測溫頭中，光纖可插入光纖套並在它們之間用膠粘結，以便保護光纖及加工光纖端面。
在上述的接觸式光纖測溫頭中，光纖套與支承套之間也可用膠粘接連接，以便固定支承光纖。
為了保證光纖的集光能力，光纖的垂直於光纖光軸的兩個端面需要與光纖套的兩端齊平，並進行光學拋光。
本實用新型的輻射頭，也可以直接與光欄管連接，其具體做法是在輻射頭的開頭端和光欄管的光欄孔端依次分別加工出相配的內螺紋和外螺紋，將輻射頭與光欄管直接用螺紋旋接。
在上述的接觸式光纖測溫頭中，支承套的中心孔固定裝配光纖套，並且該支撐套的前端插入光欄管的開口端，其後端插入一個用於設置前放電路板的前放套，該支承套與光欄管和前放套的內徑緊密配合。
支承套可採用如環氧樹脂玻璃纖維棒、布膠棒、陶瓷、耐高溫塑料等隔熱材料，以便於高溫情況下使用，該支承套也可以採用金屬材料。
另外，上述的接觸式光纖測溫頭的傳感器還可與前放套進一步連接，以便於對本實用新型的測溫頭進一步與一個前級放大電路進行電氣連接，其連接方法是傳感器的後端通過連接套與前放套連接，其中，在光欄管的後端管壁上，以及前放套的前端管壁上分別開有通孔，在相應於這些通孔的位置上支承套開有螺孔，以便螺釘穿過連接套上的通孔進行連接。
上述用來放置前放電路的前放套後端裝一個端蓋，端蓋上開孔插入和固定航空插座以便通過電纜與二次儀表連接。
為了增加前放電路的穩定可靠在完成前放電路板與光電轉換元件及航空插座的電氣連接之後，用絕緣樹脂灌填並固化前放電路板與前放套之間的空隙。
由於採用本實用新型的上述方案，在測量高溫時避免使用鉑銠等稀貴金屬。因為所測熱輻射是在密閉的黑體腔中傳送的，不會受到被測溫場與測溫頭之間環境汙染的幹擾，這保證了測量的準確可靠。而且，由於熱輻射是與溫度的4次方成正比的，因此，所測溫度越高，信號就越強，測量精度就能更高，因此只要輻射頭能夠承受的溫度本實用新型都能測出，於是測溫上限就可以大大超過鉑銠熱電偶的測量極限，擴大了應用範圍。
鉑銠熱電偶是用很細的絲狀物構成的結點測溫。在高溫時，金屬都有濺射，因此鉑銠熱電偶在高溫下通常壽命都較短，而本實用新型沒有這樣的問題，因而壽命很長。
由於光纖不受電磁場幹擾，因此在有強電磁場存在的環境中，本實用新型的測量結果不受影響。
本實用新型的測溫頭在用於高溫測量，尤其是1000℃以上的高溫測量時，特別能顯示出極大的優越性，但本實用新型的測溫頭在常溫和低溫測量時也具有其優越性。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是本實用新型的縱剖面構圖。
圖2是圖1的1-1剖視圖。
圖3是輻射頭的剖面圖。
圖4是傳感頭與前放部分的連接圖。
圖5是傳感頭剖面圖。
圖6是輻射頭與傳感頭連接處的放大圖。
圖7是本實用新型的輻射頭與傳感頭的另一種連接方式的示意圖。
圖中，1、輻射頭2、腔套3、光欄孔4、光纖套5、光纖6、凸緣7、鎖緊輪8、光欄管9、支承套10、連接套11、前放套12、濾光片13、光電轉換元件14、蓋板15、前放電路板16、端蓋17、航空插座如圖1所示的本實用新型完全實施後，由輻射頭和傳感頭兩個部件組成，輻射頭1是一個一端封閉另一端開口的管狀腔體，其尺寸和材料由待測溫場的要求確定。
腔套2是用高溫膠粘牢或螺旋連接在輻射頭1的開口端，並且要求它們的管軸重合。
傳感頭包括光欄管8、光纖5、光纖套4、支承套9、紅外濾光片12、光電元件13和蓋板14。光欄管8的一端有直徑為1毫米或比1毫米更小的銳邊園孔，即光欄孔3，光欄孔3的中心位於光欄管8的管軸上。光纖5插入光纖套4並兩端露頭，用膠粘住後磨至與光纖套4的兩端齊平並進行光學拋光，再用膠將光纖套4與支承套9粘牢。
當輻射頭1的開口端可以加工出內螺紋時，光欄管8有光欄孔3的一端可以加工出外螺紋以便輻射頭1可以與光欄管8直接旋接。
支承套9後端的濾光片12是紅外濾光片，園形，兩面光學拋光。光電轉換元件13可以用矽光電池，PIN光電二極體或其它類型的光敏三極體等光電元件，其光敏面緊貼濾光片12，然後用蓋板14壓緊在支承套9上。光纖5的尾端至濾光片12的距離等於或略小於光電轉換元件13的光敏面直徑。製造和安裝時要求保證光纖5的光軸與輻射頭1的軸線重合。
支承套9的形狀是這樣設計的，其前端要緊密地插入光欄管8，其後端要插入前放套11。在高溫下使用時，支承套9用隔熱材料製成，以阻止外界熱量傳入，減少光電轉換元件13的溫度漂移，保證溫度測量的穩定性，這在進行高溫測量時尤其重要。
輻射頭1與傳感頭之間用一個鎖緊輪7連接，以便能方便地更換輻射頭1。鎖緊輪7對輻射頭1和傳感頭的連接是這樣來實現的鎖緊輪7從光欄管8的開口端套入至光欄管8的限位凸緣6處，鎖緊輪7的內螺紋與腔套2的尾端上的外螺紋扣合，並使腔套2的尾端靠至光欄管8的限位凸緣6處。
傳感器的後端通過一連接套10與一個用於設置前放電路板15的前放套11連接，此連接是這樣來實現的連接套10上有三排通孔，每排都有120度均布的三個孔，光欄管8的後端有兩排通孔，每排都有120度均布的三個孔，其位置與連接套10上的前兩排孔相對應，前放套11的前端也有一排120度均布的三個通孔與連接套10的後排通孔相對應。支承套9的後端有三排螺孔，其位置與支承套9上的三排通孔相對應，螺釘穿過連接套10、光欄管8以及前放套11上的相對應的通孔插入支承套9的螺孔中，將傳感頭與前放套11牢固地連接在一起。
前放電路板15置於前放套11中，前放電路板15的輸入端用導線與光電轉換元件13的輸出端連接，前放電路板15的輸出端和電源端與航空插座17用導線連接，前放套11的尾端裝有一個端蓋16。端蓋16上開有與航空插座17相匹配的通孔及螺孔，使航空插座17能方便地固定在它的上面。端蓋16的側面有120度均布的三個螺孔，螺釘穿過前放套11後端120度均布的三個通孔將端蓋16固定在前放套11上。在前放電路板15與光電轉換元件13和航空插座17完成電氣連接之後，用絕緣樹脂灌填並固化前放電路板15與前放套11之間的空隙，然後固定上端蓋16，這樣可以使前放電路不受環境高溫的影響，保證測量結果穩定可靠。
用本實用新型製成的接觸式光纖測溫頭如圖1所示。使用時，將輻射頭1插入待測溫區，輻射頭1的長度應選擇為能使傳感頭處於100℃以內的環境內。在輻射頭1的溫度與待測溫區的溫度平衡後，輻射頭1的封閉端發射出與該處溫度相應的熱輻射，此熱輻射通過光欄孔3被光纖5收集傳送並經過紅外濾光片12到達光電轉換元件13的光敏面上，光電轉換元件13將此熱輻射信號轉換成電信號輸入前放電路板14，經放大處理後的電信號通過航空插座傳輸給二次儀表進行溫度顯示或控制。
權利要求1.一種接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，該測溫頭由輻射頭(1)和傳感頭組成，輻射頭(1)是一個端頭封閉的管狀腔體，該腔體的開口端與傳感頭軸向連接，傳感頭至少包括光欄管(8)、光纖(5)、光纖套(4)、支承套(9)、紅外濾光片(12)和光電轉換元件(13)，其中，光纖(5)通過光纖套(4)和支承套(9)設置在光欄管(8)的軸線上，光纖(5)的一端與位於光欄管(8)的軸心的光欄孔(3)軸向相隔一定距離，光纖(5)的另一端與紅外濾光片(12)也軸向相隔一定距離，濾光片(12)緊貼於光電轉換元件(13)的光敏面上，且濾光片(12)、光電轉換元件(13)的中心位於上述光欄孔(3)、光纖(5)形成的光軸上，光電轉換元件(13)通過上述的設置獲取信號並通過其輸出端輸出電信號。
2.根據權利要求1所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，光纖(5)靠近濾光片(12)一端與濾光片(12)的距離，等於或略小於光電轉換元件(13)的光敏面直徑。
3.根據權利要求1或2所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，輻射頭(1)與光欄管(8)同軸連接。
4.根據權利要求3所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，輻射頭(1)通過與其套接的一端具有外螺紋的腔套(2)和具有內螺紋的鎖緊輪(7)以及光欄管(8)上的一個凸緣(6)與光欄管(8)連接。
5.根據權利要求4所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，腔套(2)是用高溫膠粘在輻射頭(1)的開口端，且腔套(2)與輻射頭(1)同軸。
6.根據權利要求1所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，光纖(5)與光纖套(4)為粘結連接。
7.根據權利要求6所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，上述的光纖套(4)與支承套(9)為粘接連接。
8.根據權利要求6所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，光纖(5)的兩端與光纖套(4)的兩端齊平，並進行光學拋光。
9.根據權利要求3所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，輻射頭(1)也可以通過其腔體的開口端的螺紋與光欄管(8)在光欄孔(3)一端的螺紋旋接。
10.根據權利要求3所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，所述的支承套(9)的中心孔固定裝配光纖套(4)，並且該支撐套的前端插入光欄管(8)的開口端，其後端插入一個用於設置前放電路板(15)的前放套(11)，該支承套(9)與光欄管(8)和前放套(11)的內徑緊密配合。
11.根據權利要求10所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，傳感器的後端通過一連接套(10)與前放套(11)連接，其中，在光欄管(8)的後端管壁上，以及前放套(11)的前端管壁上分別開有通孔，在相應於這些通孔的位置上支承套(9)開有螺孔，以便螺釘穿過連接套(10)上的通孔進行連接。
12.根據權利要求11所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，在前放套(11)的後端裝一個端蓋(16)，端蓋(16)上開孔以便插入航空插座(17)。
13.根據權利要求12所述的接觸式光纖測溫頭，其特徵在於，在完成前放電路板(15)與光電轉換元件(13)及航空插座(17)的電氣連接之後，用絕緣樹脂灌填並固化前放電路板(15)與前放套(11)之間的空隙。
專利摘要一種根據黑體輻射與溫度關係原理的接觸式溫度測量頭，由輻射頭和光纖傳感頭組成，輻射頭髮出的與待測溫度相應的熱輻射經光纖、光電元件及前放電路轉換成電信號，輸出至二次儀表對溫度進行接觸式測量。
文檔編號G01J5/28GK2220636SQ95207108
公開日1996年2月21日 申請日期1995年3月31日 優先權日1995年3月31日
發明者肖昱 申請人:肖昱