CN1352382A - 疏水探针 - Google Patents

Abstract

疏水探针属于带保护管型二次复合全铠装热电偶、热电阻,可用于高温高压(及以下参数)的压力容器及管道上进行流体介质的快速温度测量。本发明的任务就是要解决现有热电偶(热电阻)在测温过程中响应慢的问题。本发明提高响应速度的措施是:1、从保护管到感温端为阶梯形,使感温端的直径减小;2、感温端的顶部为半球体形;3、感温端的内部结构为保护管、MgO绝缘层和热偶丝;4、选择较小尺寸的热元件。本发明可用于高温高压(及以下参数)的压力容器及管道上进行流体介质的快速温度测量。获得动态响应时间τ_0.5=3秒的快速特性。

Description

疏水探针

【技术领域】

本发明属于带保护管型二次复合全铠装热电偶、热电阻，可用于高温高压(及以下参数)的压力容器及管道上进行流体介质的快速温度测量。

【背景技术】

常规带保护套管的热电偶(热电阻)是由保护套管和带绝缘材料(瓷珠、玻璃管等)的热元件或铠装热元件、接线盒(偶头)等部分组成，其测温的敏感区在其尖端(感温端)，在测温过程中被测介质的热量先传到套管端部，使端部金属温度上升，然后再经过套管与热元件之间的接触部分或空气间隙、绝缘体等传到热元件(热接点)，如果是铠装热元件还须先加热铠体，然后经绝缘层传到热元件(热接点)，在传热过程中因以下原因使传热过程变慢：

1、保护管及其端部体积较大、热容量较大，所以温升较慢。

2、如要求热元件绝缘则保护管与热元件不能直接接触，只能通过空气隙或绝缘层传热，使传热过程变慢。

3、如采用铠装热元件，则往往铠体与保护管之间为点接触，有时接触不良，即使采用弹簧压紧方法也仅仅使点接触稍好一点，但并不根本解决问题。

4、不少热电偶(热电阻)热元件尺寸偏大，尤其是热电阻，使本身热容量大造成温度变化慢。

5、由多层结构原因造成传热过程从外层传到内层最后到达内部，使传热过程变得很慢。

由以上原因使常规带保护管的热电偶(热电阻)在测温过程中响应慢。国家标准衡量热电偶(热电阻)动态响应速度是其在阶跃扰动下，变化量达到最终值的10％、50％和90％，经历的时间τ_0.1、τ_0.3和τ_0.9，一般常规带保护管的装配式热电偶的τ_0.5约为60-120秒左右。目前国内最好的高温高压带保护管的热电偶(热电阻)的τ_0.5也达不到30秒以下。

【发明内容】

本发明的任务就是要解决就是热电偶(热电阻)在测温过程中响应慢的问题。为此首先需要对带保护管的热电偶(热电阻)的动态特性进行分析。

用热电偶(热电阻)进行温度测量时，热电偶的温度变化(温升)是由于有热量从被测介质(热源)向热电偶元件流动，这属于一个物体的加热过程。在热源温度为θ₁时，物体的温度θ₂会因θ₁的变化而变化，设X＝θ₁，Y＝θ₂则物体在加热过程的模型如图1。

该过程当输入θ₁为单位阶跃函数时，其输出将按指数曲线上升，见图2。从图2可以看出，物体的加热过程是一个一阶惯性环节，时间T为当输出θ₂上升到稳定输出值K的0.632倍时所经历的时间它代表该环节惯性的大小，称为惯性时间常数。该环节的传递函数为：

G(S)＝K/(TS+1)  ……(1)带保护管的一般铠装热电偶(热电阻)的测温过程可按从被测介质向保护管端部金属(环节1)和从套管端部金属向铠装热元件铠体端部(环节2)以及从铠体端部向热元件端部(热电偶热接点或热电阻元件)(环节3)分为三个环节，这三个环节的测温过程的动态特性也分别是一阶惯性系统，设G₁(S)、G₂(S)、G₃(S)分别为环节1、环节2和环节3的传递函数，K₁、K₂、K₃分别为三个环节的增益，T₁、T₂、T₃分别为三个环节的惯性时间常数，则三个环节的动态特性数学模型分别为：

G₁(S)＝K₁/(T₁S+1)    ……(2)

G₂(S)＝K₂/(T₂S+1)    ……(3)

G₃(S)＝K₃/(T₃S+1)    ……(4)

在测温过程中，热量从被测介质顺序经过环节1，环节2和环节3达到热元件敏感区，因此三个环节是串联的。整个过程的传递函数G(S)为三个环节数学模型的乘积，即：

G(S)＝G₁(S)·G₂(S)·G₃(S)

    ＝K₁·K₂·K₃/(T₁S+1)(T₂S+1)(T₃S+1)

    ＝K/(T₁S+1)(T₂S+1)(T₃S+1)  ……(5)

(5)式中，K＝K₁·K₂·K₃，为整个系统的增益，按输出Y为温度算，其值为1℃/℃＝1，按输出为热电势算，其值根据不同热电偶的分度号按其热电值曲线各段计算，其量纲为mV/℃。上述三个环节的惯性时间常数T₁、T₂、T₃决定了热电偶(热电阻)测温过程的动态特性(即动态响应速度)，它们可分别用其传热过程中的等效热阻R₁、R₂、R₃近似代替，在传热过程中，辐射、传导和对流三种方式往往是同时存在的。在环节1中就存在三种传热方式；环节2是以辐射和传导为主；而环节3则主要以热传导方式传热，但为了便于计算，我们将各种传热方式均折算到热传导方式即用等效热阻描述。设三个环节的等效热阻分别为R₁、R₂、R₃，当不考虑轴向传热时，三个环节的惯性时间常数可分别表示如下：

T₁＝R₁C₁  ……(6)

T₂＝R₂C₂  ……(7)

T₃＝R₃C₃  ……(8)

式中C₁、C₂、C₃分别为三个环节传热目标物体的热容量。从以上分析可知，带保护管的热电偶(热电阻)测温过程的动态特性属于三阶惯性系统，其阶跃扰动下的飞升特性见图3。图3是一个常规带保护管的热电偶的飞升特性曲线，从图中可以明显看出其具有三阶惯性环节的特点，具有一个纯迟延段τ和一个等效容积时间常数T_c，其近似的数学模型为：

        G(s)＝e^-τs·K/(T_c S+1)  ……(9)

根据上述(5)和(6)、(7)、(8)式，从理论上可以解释改善带保护管热电偶(热电阻)的动态特性，提高其测温过程的响应速度的措施必须是减小T₁、T₂、T₃，即是说必须减小三个环节的惯性时间常数，在制造方面所采取的以下技术措施是减小各环节的时间常数的基本途径。1)将保护管端部做成较细的圆柱体以减小端部体积是为了减小热容量C₁；2)选用小直径铠装元件可减少热容量C₂和C₃。3)增加套管与偶芯元件接触面积，并尽量减少空气间隙是为了减小R₂；4)采用高密度绝缘材料制造铠装元件可以减小R₃；5)在安装使用过程中，选择被测介质流动区(避开流动死区)，如迎着流向等等，可减小R₁。

为此本发明的静态结构，即疏水探针采取的提高响应速度的措施是：

一种疏水探针，它由保护管、热偶丝和绝缘层组成，其特征是：

1、从保护管到感温端为阶梯形，使感温端的直径减小，进而其质量减少，从而减小C₁；

2、感温端的顶部为半球体形，以增加传热面积；

3、感温端的内部结构为保护管、MgO绝缘层和热偶丝，即将保护套管尖端与铠装元件的铠体合二而一，使整个产品动态数学模型变成二阶系统，即取消了从套管端部向铠体端部传热的环节，可视为取消了C₂，并使R₂＝0，因此使T₂＝0，同时MgO为高密度绝缘材料，无空气间隙，提高铠装元件的热传导速度以减少R₃；

4、选择小尺寸的热偶丝，使C₃减小从而降低T₃。

在C₁和C₃减小，取消C₂的情况下，大幅度降低R₃，疏水探针在制造工艺上实现了最大限度地提高带保护管的热电偶(热电阻)的动态特性的目的。

采取以上技术措施后，疏水探针获得了动态响应时间τ_0.5≤3秒的快速特性，与已有技术相比，响应时间大大缩短。

【附图说明】

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是物体的加热模型图。

图2是物体加热过程的飞升特性图。

图3是常规带保护管的热电偶的飞升特性曲线图。

图4是本发明的结构示意图。

图5是图4I部的全剖图。

【具体实施方式】

它由保护管1、热偶丝3和MgO绝缘层2组成，其特征是：

(1)从保护管1到感温端4为阶梯形，使感温端的直径减小，进而其质量减少，从而减小C₁；

(2)、感温端的顶部为半球体形，以增加传热面积；

(3)、感温端的内部结构为保护管1、MgO绝缘层2和热偶丝3，即将保护套管尖端与铠装元件的铠体合二而一，使整个产品动态数学模型变成二阶系统，即取消了从套管端部向铠体端部传热的环节，可视为取消了C₂，并使R₂＝0，因此使T₂＝0，同时MgO为高密度绝缘材料，无空气间隙，提高铠装元件的热传导速度以减少R₃；

(4)、选择小尺寸的偶丝或微型薄膜热电阻，使C₃减小从而降低T₃。

在C₁和C₃减小，取消C₂的情况下，大幅度降低R₃，疏水探针在制造工艺上实现了最大限度地提高带保护管的热电偶(热电阻)的动态特性的目的。采取以上技术措施后，疏水探针获得了动态响应时间τ_0.5≤3秒的快速特性。

Claims (1)

1、一种疏水探针，它由保护管、热偶丝和绝缘层组成，其特征是：

(1)从保护管到感温端为阶梯形，使感温端的直径减小；

(2)感温端的顶部为半球体形；

(3)感温端的内部结构为保护管、MgO绝缘层和热偶丝；

(4)选择小尺寸的热偶丝。

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