CN104931148A - 一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，包括两根热电偶丝、偶丝结点、绝缘套管、保护套管和补偿导线，偶丝结点由两根热电偶丝焊接而形成，偶丝结点呈圆片状；两根热电偶丝分别为上热电偶丝和下热电偶丝；上热电偶丝和下热电偶丝与偶丝结点接触点的切线的夹角为30～60°；上热电偶丝和下热电偶丝分别穿过绝缘套管的两个进丝孔后与保护套管上的两补偿导线连接。本发明采用圆片状的偶丝结点，能降低热电偶丝的导热损失，减小偶丝结点的热惯性及温度不均匀性，减少热电偶对火焰的干扰以及火焰内颗粒在热电偶表面的沉积，提高测温的准确度和灵敏度，以便快速准确地得到火焰温度。

Description

一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶及其制造方法

技术领域

本发明属于热电偶领域，更具体地，涉及一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶及其制造方法。

背景技术

燃烧产生的火焰是伴随着化学反应、流动和传热等复杂物理化学过程的现象，温度是其中非常重要的因素和参数。

采用热电偶测量温度是一个非常直接有效的方法，测量通常可分为稳态法和动态法。其中稳态法是使热电偶与被测对象及周围环境达到或接近热平衡(温度稳定)，测温范围受热电偶材质的限制，不能用于温度过高的测量场合，而且在燃烧的高温条件下，热电偶与周围环境的辐射传热以及热电偶自身的导热会使热电偶的测量温度与实际有很大的偏差。目前通常的做法是根据经验公式以及一些实际参数(如热电偶几何形状和发射率、环境黑度等)对测量值进行修正，这种修正的方法基于诸多假设和估计，而且经验公式有很大的局限性；还需要注意的是大部分火焰含有微细颗粒物，在热电偶达到热平衡的过程中会不断沉积在热电偶表面，改变着热电偶的传热特性(如表面热阻、表面发射率)，这样一来就难以获得可靠的参数对测量误差进行修正，这些因素是稳态法测量火焰温度准确度不高的重要原因。

动态法是一种非稳态测温方法，只让热电偶探头在火焰中短暂停留，记录热电偶的升温曲线，然后推算出火焰的真实温度。动态法的优点包括：(1)热电偶探头的温度可以被控制得很低，不仅可以减少辐射损失的影响而且使测温范围不受热电偶材料熔点的限制，能够用于测量2000-3500℃甚至更高的温度；(2)在火焰中暴露的时间短，降低了碳烟等颗粒物在热电偶表面的沉积，保持热电偶传热特性、工作状态和性能的恒定。动态法最关键的地方在于测量过程中能够有效控制热电偶的辐射损失和导热损失，热电偶的结构形式对传热特性和温度响应曲线有很大的影响，传统热电偶的热电偶丝的焊接在一起形成的偶丝结点一般呈球形，而球形的偶丝结点的热电偶又有时间常数(也叫热惯性系数)较大、不够灵敏的缺点。因此采用合适的热电偶丝材料和结点设计对提高动态法测量的可靠性和实用性有着重要的作用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶及其制造方法，采用了特定形状的偶丝结点，能减小热电偶丝的导热损失，减小结点的热惯性及温度不均匀性，减小热电偶对火焰的干扰以及火焰内颗粒在热电偶表面的沉积，提高测温的准确度和灵敏度，以便快速准确地得到火焰温度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：包括两根热电偶丝、偶丝结点、绝缘套管、保护套管和补偿导线，其中，

所述的偶丝结点由所述两根热电偶丝焊接而形成，其呈圆片状，并且其前端面和后端面相互平行；

所述的两根热电偶丝分别为上热电偶丝和下热电偶丝，所述上热电偶丝和下热电偶丝上下对称布置，所述上热电偶丝和下热电偶丝均呈弧形，所述上热电偶丝的弧形轴线与下热电偶丝的弧形轴线在同一平面上，并且该平面与偶丝结点的前端面平行；

所述上热电偶丝的弧形轴线和下热电偶丝的弧形轴线与偶丝结点接触的点分别为上接触点和下接触点，所述上接触点的切线与下接触点的切线的夹角为30～60°；

所述绝缘套管侧壁的左端设置有两个进丝孔，其右端固定连接有保护套管，所述保护套管上设置两根所述补偿导线，所述上热电偶丝和下热电偶丝分别从其中一进丝孔穿过，然后分别与一补偿导线连接。

优选地，所述绝缘套管的左端加工有两斜面，所述两斜面前后对称设置，并且沿着从左至右的方向，所述两斜面的距离逐渐增大。

优选地，所述上热电偶丝和下热电偶丝分别为热电偶的正极和负极。

优选地，所述偶丝结点与绝缘套管之间存在间距。

优选地，所述偶丝结点的厚度与热电偶丝的直径相等。

优选地，该方法包括以下步骤：

1)将两热电偶丝上下对称布置并使每根热电偶丝均呈弧形，对二者的左端进行焊接，形成球形的偶丝结点；每根热电偶丝的弧形轴线均与球形的偶丝结点有一接触点，两接触点的切线的夹角为30～60°；

2)将球形的偶丝结点冲压成圆片状，圆片状的偶丝结点的前、后端面以及两条热电偶丝的弧形轴线所在的平面平行；

3)在一绝缘套管侧壁的左端加工出两个进丝孔，将每根热电偶丝分别穿过一进丝孔；

4)将绝缘套管与一保护套管连接，在保护套管上设置两根补偿导线，将每根热电偶丝分别与一补偿导线连接。

优选地，步骤4)中在每根热电偶丝与补偿导线的连接处均包裹胶带进行绝缘隔离。

优选地，所述保护套管内灌封环氧树脂胶，以固定两热电偶丝和两补偿导线。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明采用圆片状的偶丝结点，显著增大了偶丝结点的对流换热面积，具有降低热电偶丝导热损失误差的好处；

2)本发明采用圆片状的偶丝结点，这种薄片状结构能够降低偶丝结点的热惯性，减少结点表面和中心的温度差，具有提高热电偶测量准确度和灵敏度的好处；

3)圆片状的偶丝结点热电偶在插入火焰后，升温速度较球形的偶丝结点快，能够缩短所需要的测温时间，减少火焰内颗粒在热电偶表面的沉积，进而降低因颗粒沉积而引起的测温误差(如颗粒沉积引起的热电偶结点增大、热阻增加和发射率增大等)；

4)圆片状偶丝结点在插入被测流体时，有较小的截流面积，对被测流体的流场干扰较小，对流体流动的阻力也较小；

5)本发明将绝缘套管靠近热电偶结点的一端加工了两斜面，能够减少热电偶快速插入火焰时对火焰的干扰；

6)本发明通过对具有圆片状的偶丝结点的温度进行短时间的快速采集，对温度曲线进行一阶动态方程拟合，不需要采用导热损失和辐射损失的修正就能够得到准确度较高的火焰温度值。

附图说明

图1(a)～图1(b)是本发明球形的偶丝结点加工成圆片状的加工示意图；

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是本发明中绝缘套管的主视图、俯视图和左视图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是协流扩散火焰燃烧器的结构示意图；

图5是热电偶在测量火焰温度时结点传热分析图；

图6是火焰温度与普通热电偶动态法测量的温度以及计算机CFD模拟温度的对比。

图中，1-偶丝结点，2-1-上热电偶丝，2-2-下热电偶丝，3-绝缘套管，4-保护套管，5-补偿导线。

具体实施方式

参照图1～图6，一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，包括两根热电偶丝、偶丝结点1、绝缘套管3、保护套管4和补偿导线，所述的偶丝结点1由两根热电偶丝焊接而形成，所述的偶丝结点1呈圆片状，所述偶丝结点1的前端面和后端面相互平行；

所述的两根热电偶丝分别为上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2，所述上热电偶丝和下热电偶丝分别为热电偶的正极和负极。所述上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2上下对称布置，所述上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2均呈弧形，所述上热电偶丝2-1的弧形轴线与下热电偶丝2-2的弧形轴线在同一平面上，并且该平面与偶丝结点1的前端面平行；

所述上热电偶丝2-1的弧形轴线和下热电偶丝2-2的弧形轴线与偶丝结点1接触的点分别为上接触点和下接触点，所述上接触点的切线与下接触点的切线的夹角为30～60°。

所述绝缘套管3侧壁的左端设置有两个进丝孔，其右端固定连接有保护套管4，所述保护套管上设置两根补偿导线5，所述上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2分别穿过两个进丝孔，然后分别与两补偿导线5连接。优选地，所述偶丝结点1与绝缘套管3之间存在间距，这样可以防止绝缘套管3影响偶丝结点1的传热特性。

进一步，所述绝缘套管3的左端加工有两斜面，所述两斜面前后对称设置，并且沿着从左至右的方向，所述两斜面的距离逐渐增大；绝缘套管3对热电偶丝起支持、保护和绝缘的作用；加工出的楔形端能够减少热电偶快速插入火焰时对火焰的干扰。

进一步，所述偶丝结点1的厚度与热电偶丝的直径相等，这样的好处是保证热电偶具有最优的综合性能，在不损伤热电偶丝的前提下最大限度地提高结点的比表面积。

测量火焰温度时，调整圆片状的偶丝结点1的圆面，使圆面与火焰流向平行，热电偶的保护套管4固定在三维平移台上，热电偶的补偿导线5连接到温度采集模块，并与安装有相应数据采集软件的微型计算机通信，然后通过三维平移台将偶丝结点1快速地送到火焰内的指定位置，同时计算机记录下热电偶的温度曲线，根据热电偶的一阶动态响应方程拟合得到火焰的温度。

本发明设计的圆片状的偶丝结点1，能够减小热电偶丝的导热损失，减小结点的热惯性及温度不均匀性，减小热电偶对火焰的干扰以及火焰内颗粒在热电偶表面的沉积，提高测温的准确度和灵敏度，可最大限度减小火焰的测温误差。

热电偶丝的具体制造过程如下：

1)取直径为0.3mm的一对K型热电偶丝(镍铬-镍硅)，将两电偶丝分别弯曲成弧形，热电偶丝熔焊成光滑球形的偶丝结点1，然后将两电偶丝焊接，焊接后两热电偶丝也均为弧形；

2)将球形的偶丝结点1冲压成圆形薄片，圆形薄片的两端面与两热电偶丝的弧形轴线所在平面平行；冲压后，两热电偶丝与偶丝结点1的接触点的切线成30～60°；在冲压之前两弧形轴线的左端点的切线成一角度，以使得冲压后切线成30～60°。对角度有限定，主要是为了防止两热电偶丝对球形的偶丝结点1产生的不利影响，防止冲压出来的薄片不是圆形；选择此角度范围，可以保证冲压出来的薄片为圆形；因此，对角度的要求可以保证冲压的结果；

3)取长度为15cm、直径为3mm的绝缘套管3，绝缘套管3上设置有进丝孔，其中进丝孔直径为0.45mm，两进丝孔中心距为1.5mm；绝缘套管3的一端加工成楔形，即前后两端面相对于竖直面倾斜，并且沿着从左至右的方向，所述两斜面的距离逐渐增大；楔形端面宽度为1.2mm，楔形侧面与竖直面的夹角为15°；

4)将步骤3)加工好的绝缘套管3与一个保护套管4配合连接；绝缘套管3没有磨削的一端插入保护套管4，并用环氧树脂进行胶结固定；

5)将经步骤1)和步骤2)加工后的热电偶的两条热电偶丝从绝缘套管3的楔形端上的两进丝孔穿入，在套有保护套管4的一端与两补偿导线5连接并在连接处包裹胶带进行绝缘隔离；

6)调整偶丝结点1与楔形端面的距离为5mm，然后将两热电偶丝和两补偿导线5连接后在保护套管4内用环氧树脂胶结固定。

球形的偶丝结点1在粉末压片机上冲压加工成圆片状的偶丝结点1，冲压后圆片状的偶丝结点1的厚度与热电偶丝的直径相等。加工前后，圆片状和球形的偶丝结点1相比，圆片状的偶丝结点1有更好的温度均匀性，能减小热电偶表面和内部的温差；圆片状的偶丝结点1有更小的热惯性，反应更灵敏，这样在测量火焰温度时，圆片状的偶丝结点1在更短的时间内就能够达到期望的温度响应范围，减少火焰内颗粒物在热电偶表面的沉积。

参照图3，本发明热电偶的一种结构及尺寸，热电偶圆片状的偶丝结点1优选距离绝缘套管3的楔形断面的距离为5mm；两根热电偶丝平行穿入绝缘套管3的两进丝孔，在保护套管4内与补偿导线连接并固定；绝缘套管3与保护套管4配合连接，保护套管4是热电偶固定在三维平移台上的夹持部件，三维平移台能带动热电偶移动。

本发明采用图4所示的甲烷协流扩散燃烧器来配合检测热电偶的导热性能。

参照图5，热电偶在测量火焰温度时结点的热流包括与火焰的对流换热Φ_对流、与热电偶丝和的导热Φ_导热以及与周围环境的辐射传热Φ_辐射，其热流量为

式中，h——结点与火焰的对流换热系数；

A_结——偶丝结点1的表面积；

T_g——热电偶测点处火焰温度；

T_th——热电偶的热力学温度；

λ——热电偶丝的导热系数；

A_丝——热电偶丝的横截面积；

——结点附近热电偶丝的温度梯度；

ε——偶丝结点1的发射率；

σ——斯忒藩-玻尔兹曼常数(黑体辐射常数)；

T₀——环境的热力学温度。

圆片状的偶丝结点1和球形的偶丝结点1相比，圆片状的偶丝结点1扩展了热电偶的对流换热面积，即增大了A_结与A_丝的比值，在其他条件相同的情况下降低了热电偶丝导热损失的比例。如前面所述，圆片状的偶丝结点1有更小的热惯性，反应更灵敏，在测量火焰温度时，同等条件下圆片状的偶丝结点1热电偶需要的时间更短，减少了火焰内炭黑等颗粒物在热电偶表面的沉积，由于炭黑颗粒的发射率远远高于热电偶的发射率，因此减少炭黑沉积就能降低热电偶的辐射损失。

参照图6可知，甲烷协流扩散火焰温度的实验测量和CFD模拟的对比，本实验选取100-600℃范围内的热电偶响应温度，根据热电偶的一阶动态响应方程，得到火焰的温度。本发明的圆片状的偶丝结点1热电偶与普通的球形的偶丝结点1热电偶相比，所测量的结果与CFD模拟结果的误差更小，而且圆片状的偶丝结点1热电偶测得的温度均高于普通球形的偶丝结点1热电偶测得的温度，这也说明了采用圆片状的偶丝结点1的热电偶的导热和辐射损失更小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：包括两根热电偶丝、偶丝结点(1)、绝缘套管(3)、保护套管(4)和补偿导线(5)，其中，

所述的偶丝结点(1)由所述两根热电偶丝焊接而形成，其呈圆片状，并且其前端面和后端面相互平行；

所述的两根热电偶丝分别为上热电偶丝(2-1)和下热电偶丝(2-2)，所述上热电偶丝(2-1)和下热电偶丝(2-2)上下对称布置，所述上热电偶丝(2-1)和下热电偶丝(2-2)均呈弧形，所述上热电偶丝(2-1)的弧形轴线与下热电偶丝(2-2)的弧形轴线在同一平面上，并且该平面与偶丝结点(1)的前端面平行；

所述上热电偶丝(2-1)的弧形轴线和下热电偶丝(2-2)的弧形轴线与偶丝结点(1)接触的点分别为上接触点和下接触点，所述上接触点的切线与下接触点的切线的夹角为30～60°；

所述绝缘套管(3)侧壁的左端设置有两个进丝孔，其右端固定连接有保护套管(4)，所述保护套管(4)上设置两根所述补偿导线(5)，所述上热电偶丝(2-1)和下热电偶丝(2-2)分别从其中一进丝孔穿过，然后分别与一补偿导线(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：所述绝缘套管(3)的左端加工有两斜面，所述两斜面前后对称设置，并且沿着从左至右的方向，所述两斜面的距离逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：所述上热电偶丝和下热电偶丝分别为热电偶的正极和负极。

4.根据权利要求1所述的一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：所述偶丝结点(1)与绝缘套管(3)之间存在间距。

5.根据权利要求1所述的一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：所述偶丝结点(1)的厚度与热电偶丝的直径相等。

6.一种制造权利要求1～5中任一权利要求所述的热电偶的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)将两热电偶丝上下对称布置并使每根热电偶丝均呈弧形，对二者的左端进行焊接，形成球形的偶丝结点(1)；每根热电偶丝的弧形轴线均与球形的偶丝结点(1)有一接触点，两接触点的切线的夹角为30～60°；

2)将球形的偶丝结点(1)冲压成圆片状，圆片状的偶丝结点(1)的前、后端面以及两条热电偶丝的弧形轴线所在的平面平行；

3)在一绝缘套管(3)侧壁的左端加工出两个进丝孔，将每根热电偶丝分别穿过一进丝孔；

4)将绝缘套管(3)与一保护套管(4)连接，在保护套管(4)上设置两根补偿导线(5)，将每根热电偶丝分别与一补偿导线(5)连接。

7.根据权利要求6所述的一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：步骤4)中在每根热电偶丝与补偿导线(5)的连接处均包裹胶带进行绝缘隔离。

8.根据权利要求6所述的一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，其特征在于：所述保护套管(4)内灌封环氧树脂胶，以固定两热电偶丝和两补偿导线(5)。