CN101476944A - 动态超调快速热电偶 - Google Patents

Abstract

一种动态超调快速热电偶(简称快速热电偶)，用于熄火保护。其热端由正、负热电偶丝熔接而成。本热电偶的特点在于：热端(A)的正、负偶丝又分别焊有负、正偶丝，形成两个焊点，即为次热端(B)和(C)。尚可只保留次热端(B)，偶丝(1)和(3)都是贝塞尔系数大的偶丝。由冷端输出所有各个导体的接触电势和热电势的代数和。本热电偶的热端(A)的热惯性小，且易于散热，而次热端(B)和(C)的热惯性稍大。主要焊点和偶丝裸露，或只有热端(A)和偶丝(1)裸露。这样，可产生更低的稳态热电势和较大的动态超调，热电响应速度很快。

Description

动态超调快速热电偶

所属技术领域：一种动态超调快速热电偶(下简称超调热电偶)，是具有高动态热电变化率的温度传感器，它用于温度检测以及火焰熄火的快速热电保护。

技术背景：目前，公知的热电偶有一个热端，它由正热电势偶丝(下简称正丝)和负热电势偶丝(下简称负丝)的端头进行焊接而成，两偶丝的另一端即为冷端，两个冷端焊有补偿导线或输出线。输出到测量电路或电磁阀上的总电势是这4根导体的热电势和3个焊点的接触电势的代数和。热电偶的热端接受火焰的高温后，经输出线向电磁阀供给电流，使电磁阀开阀通气，当意外熄火时，热电势逐渐变小，电磁阀线圈电流消失，便恢复到常闭状态，从而起到安全保护作用。不过，由于热电偶都具有质量，不可能及时响应温度的变化。当前的技术标准CJ/T28-2003规定开阀时间小于45秒闭阀时间小于60秒，这个时间太长，对大功率燃具，这样的保护有危险。

我们对热电熄火保护分析一下。为了快速开启电磁阀，必须加大热电势的幅值及其上升变化率，所以，一般采用贝塞尔系数最大的E分度偶丝，即镍铬—康铜偶丝，且偶丝的长度要大些。而为了快速关闭电磁阀，必须减小热电势的幅值，下降的变化率仍要加大。可见，开启和关闭电磁阀都要求大的热电势变化率而对其幅值的要求却是相反的。我们被迫两者都要照顾，折衷的结果，使热电保护的电磁阀开启和关闭时间一直不理想，都太长。

市场上有一种改进型热电偶，其头部的锥形衬套为正丝，锥形衬套的尖端与负丝焊接，形成热端，锥形衬套的粗端便成了一个冷端，粗端与一个长导电衬套压配合。负丝的另一端焊一个正丝，它们的焊点就是一个次温端。正丝后面再焊一根输出导线。使用这种改进热电偶，阀门的保护速度加快。但是这种热电偶的具有不足之处：由于其锥形衬套应耐热，故是用镍铬不锈钢的正丝(其正贝塞尔系数较低)。则工作端就必焊有另一个负丝，一般用E分度的康铜，其负贝塞尔系数高。因其热端到次热端使用了贝塞尔系数大的负丝。为了不过多损失热端的热电势，该负丝不应太短，否则要付出限制上升热电势的幅值及其变化率的代价，会反而使阀门的开启性能有所降低。这样，次热端温度就不会更高些，加上该负丝之后必焊上贝塞尔系数小的正丝，结果补偿的反向电势较小，也就限制了次温端的补偿作用不会太强，造成闭阀时间不会太短。

上述所有偶丝和接点都不裸露，是封闭在绝缘套管和导电衬套里的。整体热惯性大，散热不良，会降低热电势的变化率，也影响效果。

发明内容：

要解决的技术问题：

保护速度是热电保护的关键，对大功率燃烧器尤为重要。本专利的目的是，克服上述热电偶热电响应速度不够快的问题，提供动态超调快速热电偶技术，实现快速热电保护。

技术方案：

本专利提出热电势动态超调的思路，通过几个技术措施，可解决现有热电偶热电响应速度慢的问题。

本专利的技术方案是，设法形成开启和关闭阀门时热电势的高超调量，从而尽可能地提高热电势动态上升和下降的变化率，同时进一步降低开启电磁阀时的热电势的稳态幅值。但该幅值仍要有裕度。

具体的技术措施有：

●采用两个次热端(B)和(C)：即：热端(A)的正丝(2)和负丝(3)的另两端分别焊有与其相匹配的负丝(1)和正丝(4)，其焊点就是两个次热端(B)和(C)。两个次热端比一个次热端能提供更大的热电势动态超调量。

●尚可只采用一个次热端(B)：省去次热端(C)，而必须保留次热端(B)，其设计与公知的相反：是在正丝(2)的另一端焊有一根负丝(1)，也就是，这时具有冷端(D)的两个偶丝(1)和(3)都是大塞贝尔系数的负丝，而共用的偶丝(2)是耐热正丝，其塞贝尔系数小，所以它可以短些，影响较小。故次温端的温度可更接近热端的温度。可见，这种布局，形成了由热端和次热端构成的两个热电偶，它们都是热电势损失小、高输出的热电偶。根据热电偶中间导体定律叠加热电势，可以得到较好的预想效果：稳态热电势幅值在有裕度的前提下可补偿到最小，而动态上升和下降的热电势超调量可成倍加大，得到很高的变化率，从而可使阀门开启和关闭时间大大缩短。

●本超调热电偶是全裸露的，或只有次热端(B)、和负丝(1)是裸露的，即半裸的。裸露的好处是散热速度快。一般燃具安装环境是允许使用具有一定强度的全裸或半裸热电偶的。

●将裸露的次热端(B)的安装位置接近热源并面对热辐射。这有助于提高次热端的温度，加大热电势补偿效率。

●热端(A)质量小些，即热响应迅速，而次热端(B)(C)处的质量要大，即热响应稍缓慢——热惯性稍大。于是产生了适当的传热延迟，才能形成较大超调量。

●共用偶丝(2)和偶丝(3)的截面积≤偶丝(1)和(4)的截面积。也对提高热响应速度、产生适当的有益传热延迟。

●裸露式结构的正丝(2)是耐热的偶丝，截面为矩形、弧形或圆形，截面宽度≥负丝(3)的直径。这个措施相当于，给热端及其康铜一类负偶丝配置一个耐热挡火板，延长使用寿命。

●只有次热端(B)和负丝(1)是裸露式的结构中，其热端(A)及偶丝(3)装在耐热的锥形衬套(6)里，该衬套同时具有正偶丝(2)的功能。这时，负丝(1)的一端与锥形衬套焊接形成次热端(B)，负丝(1)的另端焊在导电衬套(8)上。超调热电偶的其它部分套有绝缘物(7)，再从导电衬套中穿出。负丝(1)有1`～3个，它们的结构相同。这种半裸结构热电偶的次热端(B)和负丝(1)裸露，散热好，也有热响应速度快和动态超调大的优点。而安装方式与普通热电偶相同。

●在冷端(D)附近用耐热的绝缘子(10)来固定两根输出线(5)。这种结构对散热影响最小，也价廉。

可见，很快的保护速度是诸多技术所产生的综合结果。

有益效果：

实施本专利可使热电偶发挥极好的动态响应性能，可驱动电磁阀门在几秒甚至1秒很快开启或关闭。据此，热电保护可扩大到大功率燃烧器使用。另外，安装调节方便，成本低。

附图说明：

图1是一种具有两个次热端的全裸超调热电偶的侧视图

图2是一种具有一个次热端的全裸超调热电偶的侧视图

图3是一种具有一个次热端的半裸超调热电偶的侧向切面视图

图4是一种具有两个次热端的半裸超调热电偶的侧向切面视图

图5是热电偶E＝f(t)(热电势随时间变化)的示意曲线

图中：

1    次热端(B)的负丝           6    锥形衬套

2    热端(A)的正丝             7    绝缘管

3    热端(A)的负丝             8    导电衬套

4    次热端(C)的正丝           9    绝缘子

5    输出导线

曲线1  超调热电偶E＝f(t)曲线

曲线2  市面出售的改进型热电偶E＝f(t)曲线

曲线3  普通热电偶E＝f(t)曲线

+ΔE    超调热电偶的上升热电势超调量

—ΔE   超调热电偶的下降热电势超调量

E0     电磁阀吸合工作电平

E₁     超调热电偶的稳态热电势

E₂     改进型热电偶的稳态热电势

E₃     普通型热电偶的稳态热电势

t₁     超调热电偶的开阀时间

t₂     改进型热电偶的开阀时间

t₃     普通型热电偶的开阀时间

T₁     超调热电偶的闭阀时间

T₂     改进型热电偶的闭阀时间

T₃     普通型热电偶的闭阀时间

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本专利加以说明。

图1是一种具有两个次热端的全裸超调热电偶的侧视图。由图1可见，热电偶有一个热端(A)，它由正热电势偶丝(2)和负热电势偶丝(3)的端头进行焊接而成，正丝(2)和负丝(3)的另两端分别焊有与其相匹配的负丝(1)和正丝(4)，其焊点成为两个次热端(B)和(C)，有两个次热端，反向电势更强。负丝(1)和正丝(4)的另一端为冷端(D)，它们由耐热绝缘子(9)中穿过。负丝(1)的(D)端焊有热电势的输出线(5)。正丝(2)是耐热的偶丝，截面为矩形、弧形或圆形，截面宽度≥负丝(3)的直径。这个措施是为了给工作端及其康铜一类负偶丝配置一个耐热挡火板，延长使用寿命。M—N截面示例的是弧形截面。

图2是一种具有一个次热端的全裸超调热电偶的侧视图。由图2可见，它与图1比较，省去了次热端(C)，而保留一个次热端(B)，其设计与公知相反，是在正丝(2)的另一端焊有一根负丝(1)，也就是，这时具有冷端(D)的两个偶丝(1)和(3)都是大塞贝尔系数的负丝，，而共用的偶丝(2)是耐热正丝，其塞贝尔系数小，所以它可以短些，影响较小，故次温端的温度可更接近热端的温度。可见，这种布局，形成了由热端和次热端表征的两个热电偶，它们都是高输出的基本型热电偶。根据中间导体定律叠加，可以得到较高预想效果：稳态热电势幅值在有裕度的前提下可补偿到最小，而动态上升和下降的热电势超调量可成倍加大，得到很高的变化率，故也能使阀门开启和关闭时间也可大大缩短。这里示例的是，输出线(5)是两根直线，正丝(2)和负丝(3)都是园形截面。

图3是一种具有一个次热端的半裸超调热电偶的侧向剖面视图。只有次热端(B)和负丝(1)是裸露的半裸露式的结构中，其热端(A)及偶丝(3)装在耐热的锥形衬套(6)里，该衬套同时具有正丝(2)的功能。这时，负丝(1)的一端与锥形衬套焊接形成次热端(B)，负丝(1)的另一端焊在导电衬套(8)上。超调热电偶的其它部分套有绝缘物(7)，再从导电衬套中穿出。负丝(1)有1`～3个，它们的结构相同，这里采用两个，所以实际次热端(B)是两点并联的。有一根输出线焊在衬套的末端，另一根焊在正丝(4)上。这种半裸结构热电偶的次热端(B)和负丝(1)裸露，散热好，也有热响应速度快和动态超调大的优点。而安装方式与普通热电偶相同。

图4是一种具有两个次热端的半裸超调热电偶的侧向切面视图。他与图3的区别只是在负丝(3)和输出线(5)之间焊入正丝(4)，两个次热端补偿作用更强。

图1一图4所表示的4种超调热电偶有几点相同的结构特点，统一说明如下：

将裸露次热端(B)的安装位置接近热源并面对热辐射。这有助于提高次热端的温度，加大热电势补偿效率。

热端(A)处的热容量小，即热响应迅速，而次热端(B)处或(C)处的热容量较大，即热响应稍缓慢——热惯性稍大。于是能产生适当的传热延迟，形成较大超调量。

偶丝(2)和偶丝(3)的截面积≤偶丝(1)和(4)的截面积。也对提高热响应速度、产生适当的传热延迟有益。

裸露式结构的正丝(2)是耐热的偶丝，截面为矩形、弧形或圆形，截面宽度≥负丝(3)的直径。这个措施是为了给工作端及其康铜一类负偶丝配置一个耐热挡火板，延长使用寿命。

热电势的输出线(5)的电阻为毫欧级良导体，长度宜短，其截面积≥偶丝的截面积。由于热电偶的热电势为毫伏级，很弱，其能量宝贵。降低包括输出线在内的热电偶内阻，才能保证这个电源有较高输出功率，降低内耗。

输出到测量电路或电磁阀门上的总电势是这些导体的热电势和焊点的接触电势的代数和，其中正丝和负丝的热电势占主要部分。

图5是热电偶E＝f(t)(热电势随时间变化)示意曲线。图中：

曲线1    超调热电偶E＝f(t)曲线

曲线2   市面出售的改进型热电偶E＝f(t)曲线

曲线3   普通热电偶E＝f(t)曲线

+ΔE     超调热电偶的上升热电势超调量

—ΔE    超调热电偶热的降电势超调量下

E0      电磁阀吸合工作电平

E₁      超调热电偶的稳态热电势

E₂      改进型热电偶的稳态热电势

E₃      普通型热电偶的稳态热电势

t₁      超调热电偶的开阀时间

t₂      改进型热电偶的开阀时间

t₃      普通型热电偶的开阀时间

T₁      超调热电偶的闭阀时间

T₂      改进型热电偶的闭阀时间

T₃      普通型热电偶的闭阀时间

从三条曲线可见，在点火时(曲线上升段)和熄火时(曲线下降段)超调热电偶反应强烈，不但有大的热电势上升超调量+ΔE，还有较大的热电势下降超调量—ΔE，有较理想的电磁阀开阀裕量E₁-E₀。

其稳态值E₁更低，阀时间t₁和闭阀时间T₁都很短：

E₁<E₂<E₃

t₁<t₂<t₃

T₁<T₂<T₃

Claims (7)

1，一种热电偶有一个热端，它由正热电势偶丝(下简称正丝)和负热电势偶丝(下简称负丝)的端头进行焊接而成，两偶丝再各焊上补偿导线或输出线，输出到测量电路或电磁阀上的总电势是这4根导体的热电势和3个焊点的接触电势的代数和，上述所有偶丝和焊点都封闭在绝缘套管和导电衬套里，本超调热电偶的特征在于：它具有动态超调特性，热端(A)的正丝(2)和负丝(3)的另两端分别焊有与其相匹配的负丝(1)和正丝(4)，其焊点成为两个次热端(B)和(C)，负丝(1)和正丝(4)的另一端为冷端(D)，两个(D)端焊有热电势的输出线(5)，它们为普通良导体；尚可省去次热端(C)，而只保留次热端(B)，但这种具有单个次热端的快超调热电偶的设计与公知技术相反：是在正丝(2)的另一端焊有一根负丝(1)，也就是，这时具有冷端(D)的两个偶丝(1)和(3)都是负丝，塞贝尔系数大，而共用的偶丝(2)是耐热的正丝，塞贝尔系数小，故减小正丝(2)的长度对热电偶的效率损失不大，采用较短的正丝(2)，次热端(B)的温度就更接近热端(A)的温度，其反向热电势在幅度上就能更接近热端的正向热电势，而温度传导时间延迟也不会太长，这样，由热端(A)和次热端(B)结构而成的两个基本热电偶就都是高效热电偶，其热电势幅度高，动态变化率大，正、负热电势抵消后动态超调量±ΔE大，而稳态幅值E₁可降低；本超调热电偶是全裸露的，或只有次热端(B)、和负丝(1)是裸露的，即半裸的。

2，权利要求1所述的超调热电偶的特征是，热端(A)安装在热源处，而次热端(B)安装在接近热源但温度低于热端之处。

3，权利要求1所述的超调热电偶的特征是，热端(A)处的热容量小，即热响应迅速，而次热端(B)处或(C)处的热容量较大即热响应稍慢——热惯性稍大。

4，权利要求1所述的超调热电偶的特征是，正丝(2)和负丝(3)的截面积≤偶丝(1)和(4)的截面积。

5，权利要求1所述的超调热电偶的特征是，正丝(2)是耐热的偶丝，裸露时其截面为矩形、弧形或圆形，截面宽度≥负丝(3)的直径。

6，权利要求1所述的超调热电偶的特征是，只有次热端(B)和负丝(1)是裸露的结构中，其热端(A)及偶丝(3)装在耐热的锥形衬套(6)里，该衬套同时担当正偶丝(2)的功能，负丝(1)的一端与锥形衬套的粗端焊接，形成次热端(B)，负丝(1)的另一端焊在导电衬套(8)上，超调热电偶的其它部分套有绝缘物(7)再从导电衬套中(8)穿出，负丝(1)有1`～3个，平行连接。

7，权利要求1所述的超调热电偶的特征是，在冷端(D)附近用耐热的绝缘子(10)固定两根输出线(5)。

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