CN107314827B - 在高温容器的壳体的内壁上安装热电偶的方法 - Google Patents

Abstract

一种在高温容器的壳体的内壁上安装热电偶的方法，包括如下步骤：在高温容器的壳体的内壁上形成凹槽，凹槽包括第一凹槽部和第二凹槽部；将第一凹槽部的周围加热至预定温度；将热电偶放入所述凹槽中，其中热电偶的感应部位于第一凹槽部内，与感应部电连接的接线部位于第二凹槽部内；在第一凹槽部中施加处于熔融状态的钎焊材料；将钎焊材料冷却固化形成钎焊导热块，使得钎焊导热块连接热电偶的感应部及第一凹槽部的壁面；打磨所述钎焊导热块，使得钎焊导热块的外表面与壳体的内壁面平齐；以及将固定压片固定在第二凹槽部中与接线部对应的部位。利用这种热电偶，可以快速、准确、高精度地测量容器的内壁面的温度，且不影响容器内流体的原有流动状态。

Description

在高温容器的壳体的内壁上安装热电偶的方法

技术领域

本发明涉及一种高温容器，更具体地说，涉及一种在高温容器的壳体的内壁上安装微型热电偶的方法。

背景技术

为准确测量高温容器内壁面的温度，需要考虑将测温装置的测温响应时间及测温装置对容器的内壁面流体流场的影响将至最低。为此，需要在高温容器的内壁面安装极细铠装热电偶，安装工艺需保证测温处内壁面的平整性，不影响高温容器内流体的流动及温度分布。需要牢固地测温热电偶，以在高温环境及有内部流体流动冲击的条件下使用热电偶实现温度测量，同时兼顾测量的可操作性。另外，在降低安装热电偶的过程中，应当避免热电偶因高温断毁或因外力冲击导致保护铠装破裂致使热电偶绝缘性能降低等现象的发生。

在现有技术的第一种安装方法中，采用电弧焊(常见为氩弧焊)工艺。详细而言，将热电偶安装到高温容器内壁面上，将操作过程中，容器的内壁面经历局部高温处理。这种电弧焊方法简单易行，对安装环境、工具、工序等要求低。但是，由于需要500度以上的电弧焊接温度，难以对焊接点进行精确铠装。特别是，对于热电偶丝的材质熔点较低的热电偶，如T型热电偶等，易在安装过程中导致热电偶偶丝熔断。而对于极细热电偶也极易造成保护铠装熔断，难以实现安装操作。

在现有技术的第二种安装方法中，采用钎焊工艺。详细而言，直接采用钎焊工艺将热电偶焊接在容器壁上。由于钎焊工艺要求对被焊接面和焊料进行充分预热，在大型容器中对容器整体进行预热很难实现，对容器进行局部直接加热虽可实现，但容器与空气接触面积大，散热快，较难精确控制焊接温度。另外，焊接过程预热温度需接近或高于钎焊料熔点，常用焊料熔点在几百至一千摄氏度。这样，在安装过程中，预热 温度高易使极细铠装热电偶因受高温而损坏。预热不足安装强度差，热电偶极易脱落。

在现有技术的第三种安装方法中，采用热电偶端部焊接集热块工艺。详细而言，在热电偶感温端通过激光焊接等方法预先焊接金属集热块，安装时，将集热块焊接于容器壁面完成安装。由于集热块的存在，影响了容器的内壁面测温区域的流体流动，使得测量装置本身影响了流体在容器内的局部流动，无法较为真实的测量内壁面温度。进一步地，由于集热块储热等原因将会导致热电偶测温响应时间增长，影响瞬态壁面温度测量的精度与效果。另外，通过激光焊等方式将热电偶焊接于集热块，焊接过程瞬时温度高，极细热电偶在焊接过程中损毁率高，且对于极细热电偶操作可行性很低。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种在高温容器的壳体的内壁上安装热电偶的方法，所安装的热电偶可以快速、准确、高精度地测量容器的内壁面的温度，且不影响容器内流体的原有流动状态。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种在高温容器的壳体的内壁上安装热电偶的方法，包括如下步骤：

在高温容器的壳体的内壁上形成凹槽，所述凹槽包括第一凹槽部和第二凹槽部；

将所述第一凹槽部的周围加热至预定温度；

将热电偶放入所述凹槽中，其中热电偶的感应部位于第一凹槽部内，与感应部电连接的接线部位于第二凹槽部内；

在第一凹槽部中施加处于熔融状态的钎焊材料；

将钎焊材料冷却固化形成钎焊导热块，使得钎焊导热块连接热电偶的感应部及第一凹槽部的壁面；

打磨所述钎焊导热块，使得钎焊导热块的外表面与所述壳体的内壁面平齐；以及

将固定压片固定在所述第二凹槽部中与所述接线部对应的部位。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，将钎焊材料冷却固 化形成钎焊导热块之后，对包裹感应部的钎焊导热块周围通过电焊机采用氩弧焊方式使钎焊导热块固定在容器的壳体的内壁面上。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，调节电焊机的电流以控制氩弧焊的电弧能量，使得热电偶的温度不超过预定值。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，分多个区域进行氩弧焊操作；在执行每一次氩弧焊操作之前，使热电偶的温度读数降低到100℃以下；以及在执行氩弧焊操作过程中，在热电偶监测到的温度约为600℃时，停止本区域焊接，待温度降低到预定值以下后，再次执行氩弧焊操作。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，打磨所述钎焊导热块的步骤包括：实时监测热电偶的温度，并在热电偶的温度超过预定值时停止打磨操作。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，所述第一凹槽部的宽度大于第二凹槽部的宽度。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，所述感应部包括热电偶丝和包覆在热电偶丝外部的铠装，所述铠装的截面尺寸小于1.5毫米，优选大约为1毫米。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法在高温容器的壳体的内壁上形成凹槽之后，在所述第二凹槽部的与所述接线部对应的至少一个侧部焊接钎焊丝，所述固定压片覆盖所述接线部和钎焊丝。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，在所述第二凹槽部内形成台阶部，所述固定压片放置在所述台阶部上。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，在高温容器的壳体的内壁上形成凹槽之后，在所述第二凹槽部中形成与壳体外部连通的通孔，与所述接线部电连接的导线穿过所述通孔连接到所述壳体的外部。

根据本发明的一种实施例的安装热电偶的方法，所述银钎焊料包括50％以上的银。

根据本发明的安装热电偶的方法，所制造的高温容器可以满足细小的铠装热电偶对容器的内壁面温度进行测量的要求，能够快速、准确、高精度地测量容器的内壁面的温度，且不影响容器内流体的原有流动状 态。

附图说明

本发明将参照附图来进一步详细说明，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的高温容器的局部透视图；

图2是根据本发明的示例性实施例的高温容器的另一种局部透视图，图中示出了高温容器的内壁面未安装热电偶时的状态；

图3是图1所示的高温容器沿热电偶的轴线方向的剖视图；

图4是根据本发明的另一种实施例的高温容器沿热电偶的轴线方向的剖视图；以及

图5是根据本发明的一种实施例的在高温容器的壳体的内壁上安装热电偶的方法的操作流程图。

具体实施方式

虽然将参照含有本发明的较佳实施例的附图充分描述本发明，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的发明，同时获得本发明的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明所描述的示例性实施例。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本文披露的实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

如图1-3和5所示，本发明的实施例提供一种在高温容器的壳体1的内壁上安装热电偶2的方法，包括如下步骤：步骤S100，在高温容器的壳体1的内壁上形成凹槽，所述凹槽包括第一凹槽部12和第二凹槽部13；步骤S200，将所述第一凹槽部12的周围加热至预定温度；步骤S300，将热电偶2放入所述凹槽中，其中热电偶2的感应部21位于第一凹槽部12内，与感应部21电连接的接线部22位于第二凹槽部13内；步骤S400，在第一凹槽部12中施加处于熔融状态的钎焊材料；步骤S500，将钎焊 材料冷却固化形成钎焊导热块3，使得钎焊导热块3紧密连接热电偶2的感应部21及壳体1的第一凹槽部12的壁面；步骤S600，打磨所述钎焊导热块3，使得钎焊导热块3的外表面与所述壳体1的内壁面平齐；以及步骤S700，将固定压片4固定在所述第二凹槽部13中与所述接线部22对应的部位。

这样，利用本发明的实施例的安装热电偶2的方法得到一种设有热电偶的高温容器，该高温容器包括：由例如不锈钢材料制成的壳体1、多个热电偶2、多个钎焊导热块3和多个固定压片4。壳体1的内壁面设有多个凹槽；多个热电偶2分别容纳在凹槽中，每个所述热电偶2包括感应部21和与感应部21电连接的接线部22；多个钎焊导热块3分别填充在热电偶2的感应部21与凹槽之间的空隙中，所述钎焊导热块3的外表面与所述壳体1的内壁面平齐；以及多个固定压片4分别固定在所述凹槽中与所述热电偶2的接线部22对应的部位，以固定所述接线部22。

在这种高温容器中，在高温容器的壳体1的内壁面安装截面尺寸极细热电偶2，多个钎焊导热块3分别填充在热电偶2的感应部21与凹槽之间的空隙中，并且钎焊导热块3的外表面与所述壳体1的内壁面平齐保证壁面平整性，既保证了测温热电偶安装的牢固性，还可以降低对高温容器内流体流动及温度分布的影响，钎焊导热块3具有良好的打热线，保证了作为测温元件的热电偶的安装符合测量原理要求，并且能够减少安装过程对热电偶造成损坏。壳体1的内壁面在安装钎焊导热块的区域的粗糙度小于1.6μm，可以满足设备内壁面粗糙度的要求。

根据本发明的一种实施例，热电偶2的感应部21包括热电偶丝和包覆在热电偶丝外部的铠装，所述铠装的截面尺寸(或最大直径)小于1.5毫米。优选地，所述铠装的截面尺寸大约为1毫米。

根据本发明的一种实施例，钎焊导热块3由熔化的银钎焊料经冷却固化形成。银钎焊料包括50％以上的银，以使得钎焊导热块3具有良好的导热性，并且易于实现熔融状态。

在一种实施例中，所述固定压片4的外表面与所述壳体1的内壁面平齐，这样可以进一步减小对高温容器并的流体流动的影响，从而更准确地测量流体的温度。

如图2所示，所述凹槽包括第一凹槽部12和第二凹槽部13，所述第一凹槽部12的宽度大于第二凹槽部13的宽度，所述第一凹槽部12容纳热电偶2的感应部31，所述第二凹槽部13容纳热电偶2的接线部22。这样，可以将凹槽做得尽可能小，降低对壳体1的损伤。

下面参照图1-3和5更详细地描述本发明实施例的安装热电偶2的方法。假设热电偶2的铠装的尺寸(或最大直径)大约为1毫米。

首先，在步骤S100中，将待焊热电偶2的高温容器的壳体1的局部内壁面周围用抛光片打磨光滑，至表面呈现金属光泽。利用角磨机在内壁上形成深度大约为1.5毫米，宽度大约为1.2毫米(略宽于铠装热电偶直径即可)凹槽，用于放置热电偶。凹槽包括第一凹槽部12和第二凹槽部13，第一凹槽部12的宽度大于第二凹槽部13的宽度，第一凹槽部12用于放置热电偶2感应部21，槽宽增加到2毫米。检查待安装的具有1毫米直径的高精度极细铠装的热电偶(常见如T、K型热电偶)是否完好。

之后，在步骤S200中，在宽度大约为2毫米的第一凹槽部12的周围利用氧-乙炔火焰进行预热，使第一凹槽部12的周围加热至预定温度；利用红外测温仪对开槽周围温度进行测量，使预热的第一凹槽部12的预定温度稳定在600-700℃。第一凹槽部12的预热避免了钎焊导热块3的材料接触第一凹槽部12后不因接触表面迅速冷却而无法紧密粘接。

之后，选用含银量50％以上，可含有铜、锌及锡的银钎焊料(如含银56％，等同于美标AWS BAg-7、国标BAg56CuZnSn)，加热银钎焊料至液态备用。之后，在步骤S300中，移开预热火焰，将热电偶2快速放置在凹槽内，保证极细的热电偶2的感应部21放置在宽度大约为2毫米的第一凹槽部12内，与感应部21电连接的接线部22位于第二凹槽部13内。

放置热电偶2后，执行步骤S400，在第一凹槽部12中施加处于熔融状态的钎焊材料。具体而言，快速将液态银钎焊料倾倒入宽度大约为2毫米的第一凹槽部12内，使其充分填满第一凹槽部2。填充过程中采用数据采集装置监测热电偶的温度读数，遇异常情况及时中止，避免极细的热电偶在安装过程损坏。

之后，在步骤S500中，将钎焊材料自然固化形成钎焊导热块3，使得钎焊导热块3紧密连接热电偶2的感应部21及壳体1的第一凹槽13的壁面。

为避免因钎焊导热块3的结块凸出壳体1的内壁面影响容器内流体的流动，在步骤S600中，采用角磨机等设备，打磨钎焊导热块3，使得钎焊导热块3的外表面与所述壳体1的内壁面平齐，并露出金属光泽。最后，将固定压片固定在所述第二凹槽部中与所述接线部对应的部位

最后，在步骤S700中，将固定压片4固定在所述第二凹槽部13中与所述接线部22对应的部位。

在一种实施例中，在高温容器的壳体1的内壁上形成凹槽之后，在第二凹槽部13的与接线部22对应的至少一个侧部焊接钎焊丝6，所述固定压片4覆盖所述接线部22和钎焊丝6，这样可以将热电偶2的接线部22牢固地固定在第二凹槽部13中。进一步地，在所述第二凹槽部13内设有台阶部14，所述固定压片4放置在所述台阶部14上。

一般地，热电偶2的接线部22为非感应端，采用固定压片4固定在第二凹槽部13内的操作步骤如下：制作不锈钢材料的固定压片4，例如，固定压片4的厚度约0.5毫米，宽度为大约10毫米，固定压片的尺寸以适合于固定热电偶2的相关尺寸和第二凹槽部13的尺寸为准；在容器的壳体1的内壁面标识出将要安装固定压片4的焊接区域，通过抛光的办法降低该焊接区域的厚度约0.5毫米，即台阶部14距离壳体1的内壁的高度为0.5毫米，以使固定压片4焊接后与壳体1的内壁面平齐；之后，将直径大约为1.0毫米的银焊丝的两端焊接到第二凹槽部13中，并压到热电偶的两侧与第二凹槽部13之间的缝隙处，将固定压片4压至待焊接区域，点焊固定压片；打磨固定叶片4的焊点，保证固定压片4与壳体1的内壁面平滑过渡。

在步骤S500中，在银钎焊料与极细的热电偶2凝固后，在热电偶2的感应部21形成的由银钎焊材料形成的钎焊导热块3与第一凹槽不12之间的连接已经具有一定强度，但在高温下，钎焊导热块3与壳体1的热膨胀系数不同，加之未对整体进行预热，依然有脱开的可能性。为避免此问题，在将钎焊材料冷却固化形成钎焊导热块3之后，对包裹热电 偶2的钎焊导热块3周围通过电焊机采用氩弧焊方式使钎焊导热块3牢固固定在容器的壳体1的内壁面上。进一步地，调节电焊机的电流以精确控制氩弧焊的电弧能量，使得热电偶的温度不超过预定值(例如600℃)，避免氩弧焊接损坏热电偶。

在一种实施例中，分多个区域进行氩弧焊操作，在执行每一次氩弧焊操作之前，使热电偶的温度读数都应降低到100℃以下；在执行氩弧焊操作过程中，在热电偶监测到的温度约为600℃时，停止本区域焊接，待预定值(例如300℃)以下后，再次执行氩弧焊操作。焊接前及焊接过程中，可采用纯净水辅助降温。这样，可以避免由于执行氩弧焊操作而对热电偶造成损伤。

在一种实施例中，打磨所述钎焊导热块3的步骤包括：实时监测热电偶的温度，并在热电偶的温度超过预定值(例如500℃)时停止打磨操作。这样，可以避免因打磨过程产生的热量导致热电偶局部超温，损坏极细热电偶。

如图3所示，在高温容器的壳体1的内壁上形成凹槽之后，在所述第二凹槽部13中形成与壳体1的外部连通的通孔11，与所述接线部22电连接的导线5穿过所述通孔11连接到所述壳体1的外部。

在另一种可替换的实施例中，如图4所示，与热电偶2的接线部22电连接的导线5’沿所述壳体1的内壁面连接到所述壳体1的外部。对于图4所示实施例的高温容器的其它结构与图3所述实施例的高温容器的相应结构相同，在此不再赘述。

根据本发明上述实施例的安装热电偶的方法，由于热电偶端的感应部通过钎焊工艺固定到壳体的凹槽中，保证了热电偶与内壁面的紧密连接，最大限度的降低了极细的热电偶与内壁面间存在气隙而对温度测量产生的响应滞后的可能性；能够保证壳体的内壁面在热电偶的感应部所在的区域光滑，避免了对容器内流体流动造成消极影响；安装的极细热电偶可在常见高温容器工作温度(250-500℃)范围内稳定可靠地工作；安装热电偶的过程不依赖于预热，通过对钎焊导热块进行氩弧焊，既避免了氩弧焊工艺可能对极细热电偶带来的损坏，也避免了银钎焊料与容器的壳体牢固粘接对充分预热的依赖，降低了工作难度并节省了安装时 间，在获得牢固粘接强度的同时，大大提高了安装工艺的可实施性与经济性；采用银钎焊焊材形成钎焊导热块，充分利用了银的高导热系数，保证了极细热电偶较快的响应时间；可以将安装热电偶之类的测温元件导致的容器内壁面局部温度分布畸变的影响降到了极低的程度，保证了温度测量的准确性。

根据本发明实施例的安装有极细铠装热电偶的高温容器，适用于大型压水堆核电站软件验证项目，特别是应用于大容器内流体流动传热试验设施中。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合，从而在解决本发明的技术问题的基础上，实现更多种安装热电偶的方法。

在详细说明本发明的较佳实施例之后，熟悉本领域的技术人员可清楚的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化与改变，且本发明亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。

Claims (12)

1.一种在高温容器的壳体的内壁上安装热电偶的方法，包括如下步骤：

在高温容器的壳体的内壁上形成凹槽，所述凹槽包括第一凹槽部和第二凹槽部；

将所述第一凹槽部的周围加热至预定温度；

将热电偶放入所述凹槽中，其中热电偶的感应部位于第一凹槽部内，与感应部电连接的接线部位于第二凹槽部内；

在第一凹槽部中施加处于熔融状态的钎焊材料；

将钎焊材料冷却固化形成钎焊导热块，使得钎焊导热块连接热电偶的感应部及第一凹槽部的壁面；

打磨所述钎焊导热块，使得钎焊导热块的外表面与所述壳体的内壁面平齐；以及

将固定压片固定在所述第二凹槽部中与所述接线部对应的部位。

2.如权利要求1所述的安装热电偶的方法，其中，将钎焊材料冷却固化形成钎焊导热块之后，对包裹感应部的钎焊导热块周围通过电焊机采用氩弧焊方式使钎焊导热块固定在容器的壳体的内壁面上。

3.如权利要求2所述的安装热电偶的方法，其中，调节电焊机的电流以控制氩弧焊的电弧能量，使得热电偶的温度不超过预定值。

4.如权利要求3所述的安装热电偶的方法，其中，分多个区域进行氩弧焊操作；

在执行每一次氩弧焊操作之前，使热电偶的温度读数降低到100℃以下；以及

在执行氩弧焊操作过程中，在热电偶监测到的温度约为600℃时，停止本区域焊接，待温度降低到预定值以下后，再次执行氩弧焊操作。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的安装热电偶的方法，其中，打磨所述钎焊导热块的步骤包括：

实时监测热电偶的温度，并在热电偶的温度超过预定值时停止打磨操作。

6.如权利要求1-4中的任一项所述的安装热电偶的方法，其中，所述第一凹槽部的宽度大于第二凹槽部的宽度。

7.如权利要求1-4中的任一项所述的安装热电偶的方法，其中，所述感应部包括热电偶丝和包覆在热电偶丝外部的铠装，所述铠装的截面尺寸小于1.5毫米。

8.如权利要求7所述的安装热电偶的方法，其中，所述铠装的截面尺寸大约为1毫米。

9.如权利要求1-4中的任一项所述的安装热电偶的方法，其中，在高温容器的壳体的内壁上形成凹槽之后，在所述第二凹槽部的与所述接线部对应的至少一个侧部焊接钎焊丝，所述固定压片覆盖所述接线部和钎焊丝。

10.如权利要求9所述的安装热电偶的方法，其中，在所述第二凹槽部内形成台阶部，所述固定压片放置在所述台阶部上。

11.如权利要求1-4中的任一项所述的安装热电偶的方法，其中，在高温容器的壳体的内壁上形成凹槽之后，在所述第二凹槽部中形成与壳体外部连通的通孔，与所述接线部电连接的导线穿过所述通孔连接到所述壳体的外部。

12.如权利要求1-4中的任一项所述的安装热电偶的方法，其中，所述钎焊导热块由熔化的银钎焊料经冷却固化形成，所述银钎焊料包括50％以上的银。