專利名稱：疏水探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于帶保護(hù)管型二次復(fù)合全鎧裝熱電偶、熱電阻，可用于高溫高壓(及以下參數(shù))的壓力容器及管道上進(jìn)行流體介質(zhì)的快速溫度測量。
背景技術(shù)：
常規(guī)帶保護(hù)套管的熱電偶(熱電阻)是由保護(hù)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(qū)在其尖端(感溫端)，在測溫過程中被測介質(zhì)的熱量先傳到套管端部，使端部金屬溫度上升，然后再經(jīng)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(diǎn))，如果是鎧裝熱元件還須先加熱鎧體，然后經(jīng)絕緣層傳到熱元件(熱接點(diǎn))，在傳熱過程中因以下原因使傳熱過程變慢1、保護(hù)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(hù)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、如采用鎧裝熱元件，則往往鎧體與保護(hù)管之間為點(diǎn)接觸，有時(shí)接觸不良，即使采用彈簧壓緊方法也僅僅使點(diǎn)接觸稍好一點(diǎn)，但并不根本解決問題。
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(jié)構(gòu)原因造成傳熱過程從外層傳到內(nèi)層最后到達(dá)內(nèi)部，使傳熱過程變得很慢。
由以上原因使常規(guī)帶保護(hù)管的熱電偶(熱電阻)在測溫過程中響應(yīng)慢。國家標(biāo)準(zhǔn)衡量熱電偶(熱電阻)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是其在階躍擾動(dòng)下，變化量達(dá)到最終值的10％、50％和90％，經(jīng)歷的時(shí)間τ0.1、τ0.5和τ0.9，一般常規(guī)帶保護(hù)管的裝配式熱電偶的τ0.5約為60-120秒左右。目前國內(nèi)最好的高溫高壓帶保護(hù)管的熱電偶(熱電阻)的τ0.5也達(dá)不到30秒以下。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的任務(wù)就是要解決就是熱電偶(熱電阻)在測溫過程中響應(yīng)慢的問題。為此首先需要對(duì)帶保護(hù)管的熱電偶(熱電阻)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。
用熱電偶(熱電阻)進(jìn)行溫度測量時(shí)，熱電偶的溫度變化(溫升)是由于有熱量從被測介質(zhì)(熱源)向熱電偶元件流動(dòng)，這屬于一個(gè)物體的加熱過程。在熱源溫度為θ1時(shí)，物體的溫度θ2會(huì)因θ1的變化而變化，設(shè)X＝θ1，Y＝θ2則物體在加熱過程的模型如

圖1。
該過程當(dāng)輸入θ1為單位階躍函數(shù)時(shí)，其輸出將按指數(shù)曲線上升，見圖2。從圖2可以看出，物體的加熱過程是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間T為當(dāng)輸出θ2上升到穩(wěn)定輸出值K的0.632倍時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間它代表該環(huán)節(jié)慣性的大小，稱為慣性時(shí)間常數(shù)。該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G(S)＝K/(TS+1) ......(1)帶保護(hù)管的一般鎧裝熱電偶(熱電阻)的測溫過程可按從被測介質(zhì)向保護(hù)管端部金屬(環(huán)節(jié)1)和從套管端部金屬向鎧裝熱元件鎧體端部(環(huán)節(jié)2)以及從鎧體端部向熱元件端部(熱電偶熱接點(diǎn)或熱電阻元件)(環(huán)節(jié)3)分為三個(gè)環(huán)節(jié)，這三個(gè)環(huán)節(jié)的測溫過程的動(dòng)態(tài)特性也分別是一階慣性系統(tǒng)，設(shè)G1(S)、G2(S)、G3(S)分別為環(huán)節(jié)1、環(huán)節(jié)2和環(huán)節(jié)3的傳遞函數(shù)，K1、K2、K3分別為三個(gè)環(huán)節(jié)的增益，T1、T2、T3分別為三個(gè)環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)，則三個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)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(zhì)順序經(jīng)過環(huán)節(jié)1，環(huán)節(jié)2和環(huán)節(jié)3達(dá)到熱元件敏感區(qū)，因此三個(gè)環(huán)節(jié)是串聯(lián)的。整個(gè)過程的傳遞函數(shù)G(S)為三個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)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(gè)系統(tǒng)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(jù)不同熱電偶的分度號(hào)按其熱電值曲線各段計(jì)算，其量綱為mV/℃。上述三個(gè)環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)T1、T2、T3決定了熱電偶(熱電阻)測溫過程的動(dòng)態(tài)特性(即動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dǎo)和對(duì)流三種方式往往是同時(shí)存在的。在環(huán)節(jié)1中就存在三種傳熱方式；環(huán)節(jié)2是以輻射和傳導(dǎo)為主；而環(huán)節(jié)3則主要以熱傳導(dǎo)方式傳熱，但為了便于計(jì)算，我們將各種傳熱方式均折算到熱傳導(dǎo)方式即用等效熱阻描述。設(shè)三個(gè)環(huán)節(jié)的等效熱阻分別為R1、R2、R3，當(dāng)不考慮軸向傳熱時(shí)，三個(gè)環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)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(gè)環(huán)節(jié)傳熱目標(biāo)物體的熱容量。從以上分析可知，帶保護(hù)管的熱電偶(熱電阻)測溫過程的動(dòng)態(tài)特性屬于三階慣性系統(tǒng)，其階躍擾動(dòng)下的飛升特性見圖3。圖3是一個(gè)常規(guī)帶保護(hù)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(huán)節(jié)的特點(diǎn)，具有一個(gè)純遲延段τ和一個(gè)等效容積時(shí)間常數(shù)Tc，其近似的數(shù)學(xué)模型為G(s)＝e-τS·K/(TcS+1) ......(9)根據(jù)上述(5)和(6)、(7)、(8)式，從理論上可以解釋改善帶保護(hù)管熱電偶(熱電阻)的動(dòng)態(tài)特性，提高其測溫過程的響應(yīng)速度的措施必須是減小T1、T2、T3，即是說必須減小三個(gè)環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)，在制造方面所采取的以下技術(shù)措施是減小各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)的基本途徑。
1)將保護(hù)管端部做成較細(xì)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，并盡量減少空氣間隙是為了減小R2；4)采用高密度絕緣材料制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(zhì)流動(dòng)區(qū)(避開流動(dòng)死區(qū))，如迎著流向等等，可減小R1。
為此本實(shí)用新型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，即疏水探針采取的提高響應(yīng)速度的措施是一種疏水探針，它由保護(hù)管、熱偶絲和絕緣層組成，其特征是1、從保護(hù)管到感溫端為階梯形，使感溫端的直徑減小，進(jìn)而其質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)為保護(hù)管、MgO絕緣層和熱偶絲，即將保護(hù)套管尖端與鎧裝元件的鎧體合二而一，使整個(gè)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型變成二階系統(tǒng)，即取消了從套管端部向鎧體端部傳熱的環(huán)節(jié)，可視為取消了C2，并使R2＝0，因此使T2＝0，同時(shí)MgO為高密度絕緣材料，無空氣間隙，提高鎧裝元件的熱傳導(dǎo)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，疏水探針在制造工藝上實(shí)現(xiàn)了最大限度地提高帶保護(hù)管的熱電偶(熱電阻)的動(dòng)態(tài)特性的目的。
采取以上技術(shù)措施后，疏水探針獲得了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間τ0.5≤3秒的快速特性，與已有技術(shù)相比，響應(yīng)時(shí)間大大縮短。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)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(guī)帶保護(hù)管的熱電偶的飛升特性曲線圖。
圖4是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4I部的全剖圖。
具體實(shí)施方式它由保護(hù)管1、熱偶絲3和MgO絕緣層2組成，其特征是(1)從保護(hù)管1到感溫端4為階梯形，使感溫端的直徑減小，進(jìn)而其質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)為保護(hù)管1、MgO絕緣層2和熱偶絲3，即將保護(hù)套管尖端與鎧裝元件的鎧體合二而一，使整個(gè)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型變成二階系統(tǒng)，即取消了從套管端部向鎧體端部傳熱的環(huán)節(jié)，可視為取消了C2，并使R2＝0，因此使T2＝0，同時(shí)MgO為高密度絕緣材料，無空氣間隙，提高鎧裝元件的熱傳導(dǎo)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，疏水探針在制造工藝上實(shí)現(xiàn)了最大限度地提高帶保護(hù)管的熱電偶(熱電阻)的動(dòng)態(tài)特性的目的。采取以上技術(shù)措施后，疏水探針獲得了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間τ0.5≤3秒的快速特性。
權(quán)利要求1.一種疏水探針，它由保護(hù)管、熱偶絲和絕緣層組成，其特征是(1)從保護(hù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)為保護(hù)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于帶保護(hù)管型二次復(fù)合全鎧裝熱電偶、熱電阻,可用于高溫高壓(及以下參數(shù))的壓力容器及管道上進(jìn)行流體介質(zhì)的快速溫度測量。本實(shí)用新型的任務(wù)就是要解決現(xiàn)有熱電偶(熱電阻)在測溫過程中響應(yīng)慢的問題。本實(shí)用新型提高響應(yīng)速度的措施是:1.從保護(hù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)為保護(hù)管、MgO絕緣層和熱偶絲;4.選擇較小尺寸的熱元件。本實(shí)用新型可用于高溫高壓(及以下參數(shù))的壓力容器及管道上進(jìn)行流體介質(zhì)的快速溫度測量。獲得動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間τ
文檔編號(hào)G01K7/02GK2499812SQ01272240
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2001年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月18日
發(fā)明者欒文舉 申請(qǐng)人:沈陽宇光溫控儀表有限公司