CN115876340A

CN115876340A - 温度探头

Info

Publication number: CN115876340A
Application number: CN202211176068.6A
Authority: CN
Inventors: 约翰·L·勒弗尔斯
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2023-03-31
Also published as: CN219015483U; US20230096651A1; CA3232567A1; WO2023055642A1

Abstract

一种温度探头，包括：矿物绝缘电缆，所述矿物绝缘电缆具有金属外护套，该金属外护套围绕位于其中的矿物绝缘体。所述矿物绝缘电缆具有穿过所述矿物绝缘体延伸的多根导体。温度敏感元件具有一对引线。插入件具有至少一根导管以接收所述温度敏感元件的所述一对引线。所述插入件还具有被构造成接收所述温度敏感元件的凹部。插入件护套被构造成在所述插入件上滑动并且具有第一端部和第二端部，所述第一端部被构造成连接到所述矿物绝缘电缆的所述金属外护套。端盖附接到所述插入件护套的所述第二端部。所述插入件被构造成推动所述温度敏感元件与所述端盖接触。

Description

温度探头

背景技术

温度探头被用于各种工业和环境中以提供物质或表面(例如在诸如管道的过程流体导管中流动的过程流体)的温度的指示。温度探头通常包括由金属、陶瓷或玻璃形成的外护套，该外护套保护位于护套内部的温度敏感元件免受冲击并避免暴露于过程流体等。非导电粉末，例如氧化镁(MgO)或陶瓷(例如氧化铝–Al₂O₃)通常用于填充护套的内表面和温度敏感元件之间的空间。

温度探头具有多种设计考虑因素，必须考虑这些因素以适用于特定应用。这些考虑因素包括精度、热工作范围和响应时间。快速响应时间是许多高精度行业(例如制药、食品和饮料生产，以及货物的运输监护)的非常重要的考虑因素。提供具有改进的响应时间的温度探头将允许这种温度探头被用于更多的应用中，特别是需要快速响应时间的应用。

电阻温度检测器(RTD)和热电偶(TC)是最常见的工业温度传感元件。每种类型的温度检测器都有优点。RTD通常被认为更准确，并具有出色的长期稳定性。热电偶通常被认为不如RTD准确且遭遇比RTD更多的漂移，但热电偶需要更少的过程浸入，具有优越的响应时间和更好的抗振性。

发明内容

一种温度探头，包括：矿物绝缘电缆，所述矿物绝缘电缆具有金属外护套，所述金属外护套围绕位于所述金属外护套中的矿物绝缘体。所述矿物绝缘电缆具有穿过所述矿物绝缘体延伸的多根导体。温度敏感元件具有一对引线。插入件具有至少一根导管以接收所述温度敏感元件的所述一对引线。所述插入件还具有被构造成接收所述温度敏感元件的凹部。插入件护套被构造成在所述插入件上滑动并且具有第一端部和第二端部，所述第一端部被构造成连接到所述矿物绝缘电缆的所述金属外护套。端盖附接到所述插入件护套的所述第二端部。所述插入件被构造成推动所述温度敏感元件与所述端盖接触并提供在引线和元件之间的应变消除。

附图说明

图1A-1F是已知温度传感器探头设计的部分的示意图。

图2是根据本发明的实施例的温度探头的示意性分解透视图。

图3是根据本发明的实施例的温度探头的放大截面图。

图4和5是根据本发明的一个实施例的温度传感元件安装插入件的示意性透视图。

图6A和6B是根据本发明的实施例的温度感测探头的一部分的示意性截面图。

图7是说明各种温度探头的响应时间的图表。

图8是根据本发明的实施例的制造温度探头的方法的流程图。

具体实施方式

虽然本发明的实施例通常适用于采用薄膜式RTD的温度敏感元件，但是本领域技术人员将认识到，本发明的实施例可以用各种类型的温度传感器来实践，例如热电偶、热敏电阻等。

典型的工业RTD设计通常将感测元件悬置在松散的MgO粉末中。粉末填充的密度对于抗振性和热传递都很重要。粉末具有高导热性，但它并不完全是固态的，并且气隙和粉末会形成另一层以供热传递通过。热电偶套管和传感器囊之间的接触对于时间响应和准确性是重要的。弹簧加载传感器是最常见的囊组件，并且弹簧加载传感器确保传感器和热电偶套管尖端之间的牢固接触。因为感测接头通常非常靠近传感器端盖，所以热电偶具有优越的响应时间。因为热电偶被熔接到端盖或端盖附近的囊壁，所以接地热电偶通常提供最快的响应时间。典型的传感器囊组件如图1A至1D所示。

在图1A中，传感器端盖被从传感器囊102的端部100移除。可以看出，热电偶线104、106延伸穿过MI电缆108。热电偶110形成在不同的热电偶线104、106的接头处。该热电偶尖端接地(即，以电气的方式并以机械的方式附接到传感器囊护套壁112)。靠近传感器囊的端部100的空间114通常填充有绝缘粉末，例如MgO或陶瓷。

图1B是另一种类型的传感器囊的一部分的示意图。传感器囊120类似于传感器囊102，但是在不同的热电偶线的接头处形成的热电偶122没有接地到护套壁112。因此，图1B中所示的设计被认为是单个未接地的尖端配置。在空间114中仍然提供矿物绝缘粉末(例如MgO)或陶瓷，以减少响应时间并提供抗振性。

图1C是已知的基于RTD的薄膜式传感器囊的示意图。传感器囊140通常提供薄膜式RTD敏感元件142，该薄膜式RTD敏感元件142设置在靠近传感器囊140的端部144的空间114内。传感器囊140采用已知的4线RTD测量配置，其中多根第一导线146连接到RTD元件142的第一引线148，并且多根第二导线150连接到温度敏感元件142的第二引线152。该连接通常通过焊接提供，然后用绝缘粉末填充空间114的内部以提供热传导和抗振性。

图1D是另一种类型的已知RTD传感器囊设计的示意图。传感器囊160使用绕线式RTD温度敏感元件162代替薄膜元件142(如图1C所示)。再次，使用4线连接，其中导线146被焊接到引线148上，而导线150被焊接到引线152上。

对于温度探头设计，通常认为快速响应时间对于改进过程控制和效率是重要的。通常，当被迫选择热电偶以改进响应时间时，用户可能会牺牲一些RTD的准确性和稳定性。此外，RTD通常被认为更容易受到振动引起的故障的影响。在现场中RTD故障的主要原因被认为是由于机械冲击或振动导致的引线断裂。

图1E和图1F示出了由于机械冲击或振动导致的引线断裂的截面图和放大截面图。RTD通常由封装在陶瓷和玻璃中的铂感测元件主体组成，其中引线(通常直径为0.2毫米)被焊接到材料绝缘电缆导体(146、150)上。温度敏感元件被悬置在金属护套中，并填充松散的MgO粉末，以防止元件短路并防止组件中的过度移动。RTD薄膜元件主体的质量在振动期间促使在细的引线上产生应变，并且虽然MgO粉末提供了一些阻尼，但它是有限的。与RTD相比，热电偶在抗振性方面被认为更优越，这是因为热电偶具有两根矿物绝缘电缆导体(直径超过0.8毫米)的稳健的设计，这两根矿物绝缘电缆导体通常突出很短的距离，然后被焊接在一起。

根据本文所提供的实施例，新的RTD传感器囊设计用固体插入件代替一定量的松散粉末。此外，插入件被构造成将RTD元件直接压靠在金属传感器端盖上。因此，插入件定位该元件以改进响应时间、浸没性能，并提供应变消除来增加抗振性。传感器插入件设计提供了高振动和时间响应而不会牺牲精度和长期稳定性的选项。为构造插入件而选择的材料应该是电绝缘的，以避免引线出现问题。如果电线设置有它们自己的涂层绝缘，则可以使用其他用于插入件的材料。RTD元件的薄膜部分通常具有允许与金属传感器端盖直接接触的电绝缘层。如果插入件材料还具有相对高的热导率以促进热传递，则对于响应时间将是有益的。陶瓷材料也将提供良好的性能。

图2是根据本发明的实施例的温度探头的一部分的示意图。温度探头200通常具有一定长度的金属护套矿物绝缘(MI)电缆202、插入件护套204、插入件206、薄膜式RTD传感器208和端盖210。金属护套矿物绝缘电缆202可以具有任何合适数量的导体146、150以用于提供所需的RTD连接。例如，导体的数量将通常在2到4之间。导体在金属护套214内的矿物绝缘体212内延伸，该金属护套214可以由任何合适的金属(例如不锈钢)形成。插入件护套204优选地由与护套214相同的金属形成，以便于焊接或其他合适的结合方法。一旦薄膜传感器208的引线148、152分别被焊接到导线150、146上，插入件护套204的尺寸就被确定为在插入件206上滑动。插入件206包括凹部220，该凹部220的尺寸和形状与薄膜传感器208的接收表面222相匹配，并因此将相反的平坦表面224压靠在端盖210的表面226上。通过将传感器护套204焊接或以其他方式附接至MI电缆202并将端盖210焊接或以其他方式附接至插入件护套204来完成探头200的构造。这产生非常抗振和热响应的基于RTD的传感器探头。虽然本文公开的实施例是关于使用MI电缆进行描述的，但是明确设想可以根据本发明的实施例使用功能相似的结构(即，绝缘导线设置在管或电缆中，其中在传感器插入件处具有环境密封)。此外，虽然图2示出了支承单个温度敏感元件(传感器208)的插入件206，但是明确设想在一些实施例中，插入件206被构造成支承多个温度敏感元件。

图3是根据本发明的实施例的组装的传感器探头200的一部分的放大截面图。可以看出，插入件206设置在插入件护套204内并提供表面230，该表面230推动薄膜传感器222的表面224与端盖210的表面226接触。在所示的示例中，端盖210的尺寸被设计成由插入件护套204接收，并且端盖210与插入件护套204的连接由在接口232处产生的焊缝提供。

图4和图5分别是根据本发明的实施例的RTD温度敏感元件插入件206的顶部透视图和底部透视图。如图所示，插入件206大体上是圆柱形的，以使得它可以以滑动的方式容纳在插入件护套204内，该插入件护套204的形状也是圆柱形的，以使得它可以有效地连接到电缆202。凹部220具有由两个半圆柱形的侧凹槽240、242形成的形状，这两个半圆柱形的侧凹槽240、242由突起244间隔开。平坦表面230的尺寸通常与所使用的薄膜RTD传感器的形状和厚度相匹配。另外，凹部220包括锥形部246，锥形部246延伸到插入件206的侧壁中的小切口248。然而，在其他实施例中，锥形部246不需要延伸到插入件206的侧壁。

图5示出了包括一对孔口250、252的插入件206的底部透视图，薄膜式RTD 142的引线148、152穿过这对孔口250、252。这些引线然后连接到槽区254中的MI线146、150。

图6A和图6B是根据本发明的实施例的采用插入件206的原型RTD传感器的示意性正面和侧面X射线图像。使用本文所提供的设计和实施例的基于RTD的温度探头在响应时间方面进行了测试并与已知构造进行了比较，并且结果在图7中列出。一些组件由平坦侧朝向传感器端盖定向的温度敏感元件制成，而一些组件由平坦侧远离传感器端盖定向的温度敏感元件制成。作为参考，图3示出了温度敏感元件的平坦侧被定向成朝向传感器端盖的实施例。

薄膜式感测元件通常平坦地定位并且与传感器尖端接触。这将传感器最佳地定位以减少浸入误差。这还极大地改善了响应时间。因为弹簧加载的传感器通常被认为在尖端处具有最佳接触，所以将元件定位在传感器的尖端处还提供了与热电偶套管的显著的热耦合。

测试实施例的原型在有热电偶套管和没有热电偶套管的情况下的响应时间，结果示出在图7中。“TF-Jumo插入件-D”是感测元件的面朝端盖的平坦部分的原型。如图7所示，该设计的T90时间为16.82秒，T63时间为5.55秒，T50时间为3.72秒，T10时间为0.81秒。“TF-Jumo插入件-U”是具有沿相反方向定向的元件的原型。从图7中可以看出，该原型的T90时间为21.07秒，T63时间为7.71秒，T50时间为5.20秒，以及T10时间为0.87秒。“TF-RTD Heraeus标准件”是根据已知技术的标准传感器构造，并提供用作参考的目的。如图7所示，该传感器的T90时间为18.28秒，T62时间为8.88秒，T50时间为6.70秒，T10时间为2.09秒。“TF-RTDJumo标准件”是使用Jumo元件测试的标准传感器囊构造。该传感器的T90时间为19.12秒，T63时间为9.36秒，T50时间为7.07秒，T10时间为2.14秒。可以看出，“TF-Jumo插入件-D”优于所有被测试的传感器。使用T63对结果进行讨论，T63是传感器达到温差的63％所需的时间。在定义响应时间时，业界通常使用T63。与使用相同的薄膜式RTD元件的标准传感器囊相比，插入件-D作为裸传感器(即无热电偶套管)测试的响应时间减少了40％。此外，“TF-RTDJumo插入件-D”在标准3/4英寸不锈钢热电偶套管中进行了测试，并且与已知的传感器囊结构(在3/4英寸的不锈钢热电偶套管中的“TF-RTD Heraeus标准件”)相比，提供的响应时间缩短了近50％。

图7中提供的数据还示出了平孔热电偶套管的测试。通常，热电偶套管具有通过深钻孔直径形成的W几何形状。平孔热电偶套管具有加工成平坦的几何形状，以便更好地与传感器接触。这种热电偶套管特性提供了额外的热响应时间的改进，因为它增加了热电偶套管的端部和传感器囊之间的接触面积。平孔与上述传感器插入件设计配合得很好。“在3/4英寸不锈钢热电偶套管平孔中的TF-RTD Jumo插入件-D”比具有标准孔热电偶套管的标准传感器快约三倍(减少66％)。

本文提供的实施例通常为基于RTD的温度探头提供大大改进的响应时间。此外，本文提供的实施例通常改进基于RTD的温度探头的抗振性。固态传感器插入件被认为提高RTD元件的抗振性。插入件将薄膜元件压靠在传感器端盖上，从而通过将元件质量与细引线隔离来提供应力消除。固态的设计还消除了在振动期间会移动的粉末。

图8是根据本发明的实施例的制造温度探头的方法的流程图。方法300开始于框302，在框302处，提供MI电缆，该MI电缆具有足够数量的从中穿过的导体。接下来，在框304处，提供温度敏感元件，例如薄膜式RTD传感器，其具有穿过传感器插入件(例如插入件206(图5所示))的多个孔的引线。接下来，在框306处，将温度敏感元件的引线连接(例如，通过焊接、铜焊或钎焊)到MI电缆的导体。在框308处，使金属护套在插入件上滑动。然后在框310处将金属护套附接到MI电缆。这种附接可以以任何合适的方式进行，但是优选地，金属护套由与MI电缆的外部金属护套相同的金属形成并且附接是连续的焊接，因此不仅将金属护套物理地连接到MI电缆，而且还产生了有效的密封。最后，在框312处，将端盖附接到金属护套。优选地，端盖的附接还使用焊缝来将端盖密封到金属护套。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。

Claims

1.一种温度探头，包括：

矿物绝缘电缆，所述矿物绝缘电缆具有金属外护套，所述金属外护套围绕位于所述金属外护套中的矿物绝缘体，所述矿物绝缘电缆具有穿过所述矿物绝缘体延伸的多根导体；

温度敏感元件，所述温度敏感元件具有一对引线；

插入件，所述插入件具有至少一根导管，以接收所述温度敏感元件的所述一对引线，所述插入件具有凹部，所述凹部被构造成接收所述温度敏感元件；

插入件护套，所述插入件护套被构造成在所述插入件上滑动，所述插入件护套具有第一端部，所述第一端部被构造成连接到所述矿物绝缘电缆的所述金属外护套，所述插入件护套还具有第二端部；

端盖，所述端盖附接到所述插入件护套的所述第二端部；并且

其中，所述插入件被构造成推动所述温度敏感元件与所述端盖接触。

2.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述温度敏感元件是RTD。

3.根据权利要求2所述的温度探头，其中，所述RTD是薄膜式RTD。

4.根据权利要求3所述的温度探头，其中，所述RTD具有第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，所述第一表面被接收在所述凹部内，所述第二表面被推动与所述端盖接触。

5.根据权利要求4所述的温度探头，其中，所述RTD的所述第二表面是平坦的。

6.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述矿物绝缘电缆的所述金属外护套和所述插入件护套由相同的材料形成。

7.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述金属外护套被焊接到所述矿物绝缘电缆上。

8.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述插入件护套和所述端盖由相同的材料形成。

9.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述插入件护套被焊接到所述端盖上。

10.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述端盖是盘，所述盘具有第一表面和相反的第二表面，所述盘的第一表面与所述温度敏感元件接触，所述盘的第二表面被构造成接触平孔热电偶套管。

11.根据权利要求10所述的温度探头，其中，所述盘的第二表面是平坦的。

12.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述矿物绝缘电缆具有多根第一导体和多根第二导体，所述多根第一导体连接到所述温度敏感元件的第一引线，所述多根第二导体连接到所述温度敏感元件的第二引线。

13.根据权利要求12所述的温度探头，其中，所述多根第一导体被焊接到所述温度敏感元件的所述第一引线上，并且所述多根第二导体被焊接到所述温度敏感元件的所述第二引线上。

14.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述温度敏感元件是热敏电阻。

15.一种用于温度探头的插入件，所述插入件包括：

圆柱形插入体；

凹部，所述凹部被限定在所述圆柱形插入体中，所述凹部被构造成接收温度敏感元件；

至少一根导管，所述至少一根导管穿过所述圆柱形插入体，所述至少一根导管被构造成穿过所述温度敏感元件的至少一根引线；以及

附接部，所述附接部被构造成允许将所述温度敏感元件的引线连接到具有金属护套的矿物绝缘电缆的导体；并且

其中，所述凹部被构造成推动所述温度敏感元件与端盖接触。

16.根据权利要求15所述的插入件，其中，所述圆柱形插入件由非导电材料形成。

17.根据权利要求16所述的插入件，其中，所述非导电材料是陶瓷。

18.根据权利要求15所述的插入件，其中，所述至少一根导管包括一对导管，每根导管都被构造成使所述温度敏感元件的引线穿过。

19.根据权利要求18所述的插入件，还包括在所述凹部中将所述一对导管间隔开的突起。

20.一种制造温度探头的方法，所述方法包括：

提供金属护套电缆，所述金属护套电缆具有设置在其中并由矿物绝缘体间隔开的多根导体；

提供插入件并使薄膜式RTD的多根引线穿过所述插入件；

将所述薄膜式RTD的每根引线连接到所述金属护套电缆的至少一根导体；

使金属护套在所述插入件上滑动；

将所述金属护套附接到所述金属护套电缆；

将端盖附接到所述金属护套；以及

促使所述插入件推动所述薄膜式RTD与所述端盖接触。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括将所述金属护套焊接到所述金属护套电缆和所述端盖上。

22.一种温度探头，包括：

温度敏感元件，所述温度敏感元件具有一对引线；

插入件，所述插入件具有至少一根导管以接收所述温度敏感元件的所述一对引线，所述插入件具有凹部，所述凹部被构造成接收所述温度敏感元件；

插入件护套，所述插入件护套被构造成在所述插入件上滑动，所述插入件护套具有第一端部，所述第一端部被构造成连接到所述矿物绝缘电缆的所述金属外护套，所述插入件护套还具有第二端部；并且

其中，所述插入件被构造成推动所述温度敏感元件与靠近所述第二端部处的所述插入件护套接触。

23.根据权利要求22所述的温度探头，其中，所述插入件被构造成支承多个温度敏感元件。

24.根据权利要求22所述的温度探头，其中，所述插入件被构造成推动所述温度敏感元件与所述插入件护套的侧壁接触。