CN109556750B - 一种耐高温热电偶排气温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐高温热电偶排气温度传感器，包括相互连接的测温热电偶和冷端，测温热电偶含正极偶丝和负极偶丝，冷端含补偿导线，正极偶丝和负极偶丝分别与一根补偿导线焊接，且焊接处各位于一管状的连接端子内，由连接端子铆接固定，测温热电偶上套有定位环和螺母，定位环与测温热电偶焊接连接，螺母与测温热电偶活动连接，冷端一端连接测温热电偶，另一端连接插件或信号转换器。本发明的耐高温热电偶排气温度传感器能够满足机车排放部位高温和高频振动的工况要求，具有结构简单、耐高温、抗振以及响应灵敏的特点，极具应用前景。
Description
技术领域
本发明属于温度传感器技术领域，涉及一种能够满足机车排放部位高温和高频振动的工况要求的耐高温热电偶排气温度传感器。
背景技术
随着中国经济发展进入转型升级阶段，环保治理日益受到人们的重视。机动车辆的尾气排放是大气污染的主要原因之一，国家对机动车相关的排放标准进行了升级，加大了不合格机车淘汰力度，因此尾气处理是机车行业必须面对的重要课题。机动车排气温度的测量和控制是尾气处理系统的重要一环，尾气测温用的耐高温的温度传感器尤为重要。
由于操作环境的原因，排气温度传感器长期在高温环境下工作，同时要承受发动机的振动和车辆整体振动，因此排气温度传感器需具有耐高温、优异的抗振性以及响应灵敏的特点。现有技术的排气温度传感器的测温元件都采用PT200电阻，测温元件PT200安置在高温的测量端，测量端与冷端通过耐高温且相互绝缘的引线机械或焊接连接，冷端连接与机车控制相连的标准插件，机械或焊接连接存在结构稳定性差的缺点，长时间处于高温和振动环境下极易发生破坏，使得温度传感器的使用寿命较低，虽然现有技术尝试对此结构进行改进，但结构较为复杂，制造难度较大，难以推广使用。
因此，研究一种结构简单且能够满足高温和高频振动工况要求的耐高温热电偶排气温度传感器极具现实意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供一种结构简单且能够满足高温和高频振动工况要求的耐高温热电偶排气温度传感器。本发明测温热电偶和冷端相互连接，测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝与冷端的补偿导线焊接，且焊接处各位于一管状的连接端子内，并由连接端子铆接固定，由此制备的排气温度传感器结构简单，成本低廉，通过铆接加焊接的连接方式，显著提高了正极偶丝和负极偶丝与补偿导线连接的稳定性，使得测温热电偶和冷端的连接部位能够满足高温和高频振动工况要求，极大地提升了温度传感器的使用寿命，克服了现有技术温度传感器由于结构稳定性差导致的使用寿命较短的问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以解决：
一种耐高温热电偶排气温度传感器，包括相互连接的测温热电偶和冷端，测温热电偶含正极偶丝和负极偶丝，冷端含补偿导线，正极偶丝和负极偶丝分别与一根补偿导线焊接，且焊接处各位于一管状的连接端子内，由连接端子铆接固定，本发明的测温元件采用热电偶，相对于热电阻，其具有测量温度精度高、直接与被测对象接触不受中间介质的影响、感温快速准确、测量温度范围广的优点。如正极偶丝和负极偶丝与补偿导线仅通过焊接的方式连接，在高温冲击和振动作用下，一段时间后焊接结构就会被破坏，正极偶丝和负极偶丝就会与补偿导线断开连接，温度传递路径就会被破坏，温度传感器就会丧失其功能；本发明通过增设管状的连接端子，将正极偶丝和负极偶丝与补偿导线的焊接处置于连接端子内，再进行铆接固定，显著提高了焊接结构耐高温冲击和振动作用的能力，延长了温度传感器的使用寿命，且结构较为简单，容易推广。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，测温热电偶主要由锥形外管、绝缘粉体、正极偶丝、负极偶丝、导热胶和封底组成，正极偶丝和负极偶丝贯穿锥形外管，一端位于锥形外管内，另一端位于锥形外管外，外管设计成锥形有利于增加反应速度；
锥形外管尺寸较小的一端相对于尺寸较大的一端距离冷端更远，且由圆形封底进行封闭；正极偶丝和负极偶丝位于锥形外管内的一端焊接形成测温点，测温点通过导热胶灌封在锥形外管内且靠近圆形封底；绝缘粉体填充在锥形外管与正极偶丝和负极偶丝之间的空间内。测温热电偶可以根据安装方式弯曲成90°、120°或150°等。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，锥形外管由圆柱管I、圆台管和圆柱管II组成，锥形外管的形状不限于此，还可以由方形管等构成，圆柱管I和圆柱管II的直径分别为1.6～3.0mm和3.0～6.0mm。圆柱管I和圆柱管II的尺寸不限于此，具体可根据实际需求进行调整。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，锥形外管的材质为Inconel600、Inconel601或310S，绝缘粉体为氧化镁、氧化铝或二氧化硅粉体，正极偶丝和负极偶丝的材质为铂铑/铂、镍铬/镍硅、镍铬/镍铝、镍铬硅/镍硅、镍铬/康铜、铁/康铜或铜/康铜。本发明锥形外管的材质、绝缘粉体种类、正极偶丝和负极偶丝的材质并不限于此，其它能够满足实际使用需求的均适用于本发明。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，测温热电偶上套有定位环和螺母，定位环与测温热电偶焊接连接，螺母与测温热电偶活动连接。定位环焊接固定在测温热电偶的锥形外管，用于确定安装位置，螺母套在测温热电偶的锥形外管上，用于安装传感器。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，冷端主要由冷端套管、补偿导线、高温密封胶和铁氟龙套管组成，补偿导线贯穿铁氟龙套管，且两端从铁氟龙套管伸出；
冷端套管沿直线方向分为第一区段、第二区段和第三区段，第一区段内套铁氟龙套管，铁氟龙套管从第一区段内伸出；正极偶丝和负极偶丝位于锥形外管外的部分、补偿导线从铁氟龙套管一端伸出的部分以及连接端子通过高温密封胶灌封在第二区段内；第三区段内套锥形外管，且与锥形外管焊接连接。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，高温密封胶为玻璃粉，本发明的高温密封胶不限于此，只要能耐高温且能起到密封作用的胶皆可适用于本发明。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，补偿导线从铁氟龙套管另一端伸出的部分与信号转换器连接。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，信号转换器包括顺序连接的热电偶信号处理单元、热电偶信息校准与转换单元和通信接口单元，补偿导线与热电偶信号处理单元连接，热电偶信号处理单元用于将来自导线的信号通过内置的信号放大器和温度补偿，将模拟信号转换成数字信息，热电偶信息校准与转换单元用于将数字信息根据N或K型分度号进行校准和转换，通信接口单元用于将校准后的数字信息选择相应的通信接口传输给上位机。
如上所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，补偿导线从铁氟龙套管另一端伸出的部分与插件连接，其作用是将测温热电偶的温度信号传输到插件，插件为与机车配套的通用接插件，用于传感器与机车控制器间信号传递。
发明机理：
现有技术的热电偶排气温度传感器中测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝与冷端的补偿导线一般都是焊接连接的，在极大多数情况下，测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝、冷端的补偿导线二者的材料并不相同，热膨胀系数存在较大的差异，在高温的条件下，二者会发生不同程度的膨胀，导致测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝与冷端的补偿导线的接触面积减小，甚至发生悬空，即测温热电偶与冷端断开连接，伴随着高频振动的发生，测温热电偶与冷端时而接触，时而断开，无法正常使用，即丧失使用功能，同时不同材料的测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝和冷端的补偿导线组装后，在高温和高频振动下，二者会发生应力不平衡，随着使用时间的延长，应力不平衡现象逐渐加重，最终导致测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝脱离冷端的补偿导线。因而，现有技术的热电偶排气温度传感器的使用寿命较短。
本发明通过增设管状的连接端子，将正极偶丝和负极偶丝与补偿导线的焊接处置于连接端子内，再进行铆接固定，即正极偶丝和负极偶丝与补偿导线的连接有焊接和夹持双重固定保障，显著提高了焊接结构耐高温冲击和振动作用的能力，延长了热电偶排气温度传感器的使用寿命，相对于单一的焊接方式，夹持+焊接的连接方式能够提高传感器的稳定性、耐用性和可靠性的主要原因是：(1)夹持+焊接使得焊接点处能够发生小幅度弯曲，增大了焊接点处测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝与冷端的补偿导线的接触面积，保证了测温热电偶与冷端始终处于接触状态，不随高温和高频振动发生改变；(2)夹持+焊接削弱了不同材料的测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝和冷端的补偿导线发生应变的能力，降低了由于应力不平衡导致测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝脱离冷端的补偿导线的可能性；(3)夹持+焊接增加了固定点，增加夹持结构之前，固定点仅指焊点，增加夹持结构之后，固定点还包括连接端子的管壁与测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝(或冷端的补偿导线)和焊点接触的点，固定点的增加增强了连接强度；(4)夹持+焊接对测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝(或冷端的补偿导线)起到了一定的固定作用，削弱了测温热电偶的正极偶丝和负极偶丝(或冷端的补偿导线)在高温和高频振动作用下的活动能力，进而减少了其活动对焊接结构造成的不利影响，在一定程度上缓解了高温和高频振动对焊点的直接冲击，进而延缓传感器在高低温膨胀收缩下的疲劳，提高抗振能力。
有益效果：
本发明的耐高温热电偶排气温度传感器，结构简单，制备成本低廉，耐高温和抗振性能优良，响应灵敏，能够满足机车排放部位高温和高频振动的工况要求，极具应用前景。
附图说明
图1为本发明测温热电偶的结构示意图；
图2为本发明冷端的结构示意图；
图3为本发明实施例1耐高温热电偶排气温度传感器的结构示意图；
图4和图5为本发明实施例2耐高温热电偶排气温度传感器的结构示意图；
其中，101-锥形外管，102-正极偶丝，103-负极偶丝，104-绝缘粉体，105-导热胶，106-测温点，107-封底，108-圆柱管I，109-圆台管，110-圆柱管II，401-冷端套管，402-连接端子，403-补偿导线，404-高温密封胶，405-铁氟龙套管，100-测温热电偶，200-定位环，300-螺母，400-冷端，500-插件，501-信号转换器。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种耐高温热电偶排气温度传感器，包括相互连接的测温热电偶和冷端。
如图1所示，测温热电偶主要由锥形外管101、绝缘粉体104、正极偶丝102、负极偶丝103、导热胶105和封底107组成，正极偶丝102和负极偶丝103贯穿锥形外管，一端位于锥形外管内，另一端位于锥形外管外；锥形外管101材质为Inconel600，由圆柱管I 108、圆台管109、圆柱管II 110组成，圆柱管I 108和圆柱管II 110的直径分别为1.6mm和3.0mm；圆柱管I 108远离圆台管109的一端由圆形封底107进行封闭，圆柱管II 110相对于圆柱管I 108距离冷端更近；
正极偶丝102和负极偶丝103位于锥形外管101内的一端焊接形成测温点106，测温点106通过导热胶105灌封在圆柱管I 108内，绝缘粉体104填充在锥形外管101与正极偶丝102和负极偶丝103之间的空间内，其中绝缘粉体为氧化镁，正极偶丝和负极偶丝的材质分别为铂铑/铂热电偶、镍铬/镍硅和镍铬/镍铝。
如图2所示，冷端主要由冷端套管401、补偿导线403、高温密封胶404和铁氟龙套管405组成，补偿导线403贯穿铁氟龙套管405，且两端从铁氟龙套管405伸出；
冷端套管401沿直线方向分为第一区段、第二区段和第三区段，第一区段内套铁氟龙套管405，铁氟龙套管405从第一区段内伸出；正极偶丝102和负极偶丝103位于锥形外管101外的部分、补偿导线403从铁氟龙套管405一端伸出的部分以及连接端子402通过高温密封胶404灌封在第二区段内；第三区段内套锥形外管，且与锥形外管焊接连接，高温密封胶为玻璃粉。
耐高温热电偶排气温度传感器的整体结构示意图如图3所示，测温热电偶100上套有定位环200和螺母300，定位环200与测温热电偶100焊接连接，螺母300与测温热电偶100活动连接。测温热电偶100的锥形外管套在冷端400的冷端套管的第三区段内，测温热电偶100锥形外管能够根据安装方式弯曲成不同角度。测温热电偶100内的正极偶丝和负极偶丝分别与冷端200的一根补偿导线焊接，且焊接处位于冷端套管第二区段内，并由一管状的连接端子铆接固定。补偿导线从铁氟龙套管另一端伸出的部分与插件500连接。
对比例1
一种热电偶排气温度传感器，基本同实施例1，不同之处在于其不含有连接端子，即正极偶丝和负极偶丝与补偿导线仅通过焊接的方式连接，没有用连接端子进行铆接固定。将实施例1和对比例1的热电偶排气温度传感器在温度为800℃、振动频率为200MHz的工况下使用一段时间发现，对比例1的热电偶排气温度传感器的焊接结构已经被破坏，而实施例1的热电偶排气温度传感器尚未被破坏，实施例1的热电偶排气温度传感器的使用寿命为对比例1的热电偶排气温度传感器的1.6倍，对比可以看出，本发明通过增设管状的连接端子，将正极偶丝和负极偶丝与补偿导线的连接处置于连接端子进行铆接固定显著提升了焊接结构的耐高温冲击和抗振性能，极大地延长了热电偶排气温度传感器的使用寿命。
实施例2
一种耐高温热电偶排气温度传感器，包括相互连接的测温热电偶和冷端，测温热电偶和冷端的结构与实施例1基本一致，不同的是锥形外管材质为Inconel601，圆柱管I和圆柱管II的直径分别为2.5mm和4.5mm，绝缘粉体为氧化铝，正极偶丝和负极偶丝的材质分别为镍铬/康铜、铁/康铜和铜/康铜。
测温热电偶和冷端连接后的结构示意图如图4所示，补偿导线从铁氟龙套管另一端伸出的部分与信号转换器501连接，信号转换器包括顺序连接的热电偶信号处理单元、热电偶信息校准与转换单元和通信接口单元，补偿导线与热电偶信号处理单元连接，热电偶信号处理单元用于将来自导线的信号通过内置的信号放大器和温度补偿，将模拟信号转换成数字信息，热电偶信息校准与转换单元用于将数字信息根据N或K型分度号进行校准和转换，通信接口单元用于将校准后的数字信息选择相应的通信接口传输给上位机。
为了简化产品结构，提高产品的耐温性，本实施例的耐高温热电偶排气温度传感器还可省略冷端，省略后的结构如图5所示，测温热电偶直接与信号转换器连接。
实施例3
一种耐高温热电偶排气温度传感器，基本同实施例2，不同之处在于锥形外管材质为310S，圆柱管I和圆柱管II的直径分别为3.0mm和6.0mm，绝缘粉体为二氧化硅粉体，正极偶丝和负极偶丝的材质均为铂铑/铂。
经验证，本发明的耐高温热电偶排气温度传感器耐高温和抗振性能好，且响应灵敏，能够满足机车排放部位高温和高频振动的工况要求，极具应用前景。
Claims (7)
1.一种耐高温热电偶排气温度传感器，其特征是：包括相互连接的测温热电偶和冷端，测温热电偶含正极偶丝和负极偶丝，冷端含补偿导线，正极偶丝和负极偶丝分别与一根补偿导线焊接，且焊接处各位于一管状的连接端子内，由连接端子铆接固定；
测温热电偶主要由锥形外管、绝缘粉体、正极偶丝、负极偶丝、导热胶和封底组成，正极偶丝和负极偶丝贯穿锥形外管，一端位于锥形外管内，另一端位于锥形外管外；
锥形外管尺寸较小的一端相对于尺寸较大的一端距离冷端更远，且由圆形封底进行封闭；正极偶丝和负极偶丝位于锥形外管内的一端焊接形成测温点，测温点通过导热胶灌封在锥形外管内且靠近圆形封底；绝缘粉体填充在锥形外管与正极偶丝和负极偶丝之间的空间内；
测温热电偶上套有定位环和螺母，定位环与测温热电偶焊接连接，螺母与测温热电偶活动连接；
冷端主要由冷端套管、补偿导线、高温密封胶和铁氟龙套管组成，补偿导线贯穿铁氟龙套管，且两端从铁氟龙套管伸出；
冷端套管沿直线方向分为第一区段、第二区段和第三区段，第一区段内套铁氟龙套管，铁氟龙套管从第一区段内伸出；正极偶丝和负极偶丝位于锥形外管外的部分、补偿导线从铁氟龙套管一端伸出的部分以及连接端子通过高温密封胶灌封在第二区段内；第三区段内套锥形外管，且与锥形外管焊接连接。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，其特征在于，锥形外管由圆柱管I、圆台管和圆柱管II组成，圆柱管I和圆柱管II的直径分别为1.6～3.0mm和3.0～6.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，其特征在于，锥形外管的材质为Inconel600、Inconel601或310S，绝缘粉体为氧化镁、氧化铝或二氧化硅粉体，正极偶丝和负极偶丝的材质为铂铑/铂、镍铬/镍硅、镍铬/镍铝、镍铬硅/镍硅、镍铬/康铜、铁/康铜或铜/康铜。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，其特征在于，高温密封胶为玻璃粉。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，其特征在于，补偿导线从铁氟龙套管另一端伸出的部分与信号转换器连接。
6.根据权利要求5所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，其特征在于，信号转换器包括顺序连接的热电偶信号处理单元、热电偶信息校准与转换单元和通信接口单元，补偿导线与热电偶信号处理单元连接。
7.根据权利要求1所述的一种耐高温热电偶排气温度传感器，其特征在于，补偿导线从铁氟龙套管另一端伸出的部分与插件连接。
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