CN85108246A - 边缘焊合式布尔登扁带式温度-压力表 - Google Patents

Abstract

一种用于充气式与充液式温度表与压力表的布尔登管，系用两根等弹性镍合金扁条从边缘处焊合构成其管壁，管内的容积很小，与现有的各种用于量度和控制温度与压力的布尔登管相比，表现很低的外界温度效应和增大跨度变换范围。

Description

边缘焊合式布尔登扁带式温度—压力表

本项发明涉及到布尔登管的构造，这种布尔登管是用作压力或者温度测量器的一个弹性部件。布尔登管是由E.布尔登发明的（美国专利9163号）它主要是一条弯捲的扁管，当这个弯捲的扁管一端固定起来，并承受内部的压力变化时，它弯卷的状态随着其内部压力的变化发生接近于正比例的张开与弯曲的变化。这样，可将布尔登管自由端的位移用作一种机械、电气或者电子装置的输入，以指示和/或控制压力与温度。

对布尔登管的设计，须考虑许多因素，以适应其实用的要求。若干有影响的因素有：压力的范围、弹簧刚性系数、对于内含流体的抗腐蚀性、对外部环境的抗腐蚀性、耐反复性、滞后性、超压力以及环境温度效应。因此，对布尔登管的形状、尺寸和材料的选择须适应特定的用途。

充入式温度计和温度控制器利用布尔登管将内充的流体（液体、气体或蒸汽）的压力变化转换为机械的运动，用来驱动指针或者控制装置。这种内充式温度计可分为三个类型：第一类-充液式，第二类-蒸汽作用式，第三类-气体作用式。

第一类是利用内充的一种稳定液体因温度变化而发生的体积膨胀，以形成布尔登管的形变。水银、二甲苯及硅酮液体是典型的内充工作液体。而球泡的大小又与温度范围成反比地变化，所测温度范围较小则所用球泡较大，所测温度范围较大则球泡较小。球泡中的液体随着温度的升高而扩张，按照液力原理通过一条细孔的毛细管输入布尔登管中。

毛细管和布尔登管的容积应当尽可能小，以尽量减少外界温度对毛细管和布尔登管中液体的影响。为了抵销这一“外界温度效应”，可以有几种补偿方法：

（1）在布尔登管的输出部分采用双金属片，在一个点上消除“外界误差”（通常用于中等温度范围）;（2）复式毛细管配合反向布尔登管;及（3）在毛细管中填入“因瓦”（镍铁）合金丝，以抵销毛细管中的液体扩张。

第二类充入式系统，是利用液体在一定温度范围内预期产生的蒸汽压力。球泡部位温度升高，使球泡中的液体汽化;温度降低则又使饱和的蒸汽在球泡中凝结。当球泡温度高于外界温度时，液体充入球外的毛细管和布尔登管的内函，当球部温度低于外界温度时，则由过热的蒸汽充入。而当球部温度升高超过外界温度时，液体从球泡转入毛细管和布尔登管，使液体和蒸汽的界面保持在球泡之中。为适应外界温度的变化范围和较长的毛细管，球泡需做得较大。

第三类充入式系统系充入气体。随着球部温度的变化而产生相应的压力变化，大体上按照天然气定律即PV＝RT。为了尽量减小外界温度效应，球泡的容积通常须是毛细管和布尔登管的综合容积的20到30倍。为了适用于较小的温度范围，需要相对较高的内部工作压力，而内部压力较高时，“外界温度效应”也较大。因此，第三类系统的适用范围要受布尔登管的弹性范围和可容许的外界效应的局限。

改进的气体温度计克服了必须用较大的球泡的必要，其办法是在球泡中填加活性炭，以吸附或释放气体分子，增大压力的变化，超越了天然气定律。这类改进的气体温度计的优越性在于，可以用较低的内部工作压力适应较小的温度范围，而相应地使其“外界效应”亦较小。这又可以将球泡做得较小。

对使用常规金属材料制做的布尔登管的所有各种测温和测压系统来说，当外界温度的变化使布尔登管的弹性拉伸系数发生变化时，都使其精确度受到影响。例如，就弹簧铜制作的布尔登来说，对其弹簧刚性系数的影响大约是外界温度变化每华氏度0.02%或者每50华氏度1%（参见《机械量度》第159页，作者贝克威思和布克）。

对充入式温度计的弹性部件来说，因为它们须在较大的压力跨度并从而是较大的应力水平上工作，这样由于外界温度变化所引起的指示误差就可能增大到3至4倍的程度。

本项发明的目的，是为充入式温度计提供一种弹性元件，主要是用于上述第三类即气体作用型。其所依据的准则是：

1、所用材料及其结构应有最大可能的弹性限度。

2、其结构应有尽可能小的内涵容积，在工作中的容积变化亦应尽可能小。

3材料的弹性系数对于通常的外界温度变化应不敏感。

4、材料当应力水平增高时其滞后作用应表现最小。

5、其材料与结构应始终能在高应力水平上工作而不发生变性或失效。

6、其材料须能抵抗内充媒剂的腐蚀，也须适当地抵抗外界环境的腐蚀。

7、其材料、结构及制作成本须在经济上适宜，以便使产品适销于高度竞争性的工业市场。

本项发明发现了：以一种经过热处理能获得均匀弹性的金属扁条，例如Ni-SPanC合金条，可用现代化的连续焊边器将两根扁条的边缘焊到一起，以形成气密的窄隙结构，这样可以做成一条布尔登管，然后加热处理（最好在干燥氢气中），以获得均匀弹性，而不致使扁条之间靠得极近的两个表面粘到一起。此种可能被处理成均匀弹性而供制做本发明的布尔登管的合金，在市场上是能买到的。这种材料经过时效硬化热处理可达到零或接近零的热-弹性系数。经过热处理，其热-弹性系数可由10减低到1或以下。例如，在时效硬化之前为-200×10^-6PSi/PSi°F，处理之后可达-20×10^-6PSi/PSi°F。

布尔登管所受的最大应力是在其两侧壁上，此项发明的另一个预料之外的优点，是边缘的焊接恰恰在它所需要的部位可靠地作了加强。

这项发明的内容，是由两条均匀弹性的金属薄条，背对背地拼到一起，在边缘处焊住，形成一个压力壳，再加工成适当的形状，成为一个布尔登管式的部件，再加上安装部分和输出部分，将此组合件热处理以获得最佳弹性和等弹性拉伸系数，装上一条合适的毛细管和球泡的组合。

图1为本项发明的C形布尔登管连接一个远距温度感测器的透视图。

图2为图1中的布尔登管连接一个直接安装式测温系统的正视图，图中示出内部压力增高后布尔登管的形变。

图3为按照本项发明制做的螺旋形布尔登管的俯视图。

图4为按照本项发明制做的立式螺旋形布尔登管的透视图。

图5为配用本项发明的边缘焊合式布尔登管的一种压力表的剖视图。

图6图7与图8表示三种布尔登管（其中一种是本项发明）的剖视图。

图9为表示常规布尔登管、补偿式布尔登管和本项发明的焊边式等弹性布尔登管的外界温度误差曲线图。

在图1所示的实施例中，两条0.016″厚，0.563″宽由Ni-SPanC（这是亨廷顿合金公司的一种注册商标）镍合金制造的扁条併合在一起，沿着两条边缘11与12用适宜的方法焊合（如TIG法、电子束、激光束等），然后切成3.6″长的段，将其一端扩展成13的形状，以容纳一条毛细管。两端除去毛细管的开口外，最好都用TIG法焊接以形成一个完整的气密封闭的压力壳。将这个扁条组合1做成C字形状的布尔登管。在管的一端焊上一个输出部2，用以接装一个运动转换器，例如仪表的活动指示或者电子装置。使毛细管开口13的另一端保持平直，焊到托架3上。另外，在托架上还要提供安装运动转换器的设施及毛细管的夹持器或连接器5，以便将整个总成装在一个外壳中。

按照上文推荐的工艺将布尔登管/输出部/托架总成加以热处理，以获得最佳弹性和布尔登管中的“零”热弹性系数。

用一段外径为0.048″内径为0.009″的毛细管4（内容积要小）嵌入布尔登管的13处，铜焊密封住。这段毛细管是用作漏气试验并对此总成施以超压，最后将其穿过连接器5组装在球泡及毛细管上。

当将此总成与改进的第三类气体温度系统组装时，连接器5成为通气毛细管6与充气毛细管8的结合部。两条毛细管的内孔都很小（0.005″到0.010″），是为了尽量减小其内容积。对通气毛细管可加以合适的保护铠装。与毛细管6接装的是一个适当的感测球泡7，内装定量的碳14。

将整个总成通过充气管8抽空，再充入惰性气体，例如干燥氮气。

使传感测球泡7处在适当的温度，再将内涵气体的压力控制在一定数值，就能将这一测温系统定到所要求的温度跨度。然后将充气管8关断并密封。此时感测温度的变化就相应地使整个系统的内部压力发生变化，并使布尔登管的自由端产生偏移（如图2所示）。将此偏移通过齿轮的传动可转换为圆形刻度表上的指针的转动。如是电子式系统，则可用一种位置传感器，例如应变仪、线性换能器或者连接光电线路的光准器（Light    Vane）来检测此偏移。

如用直接安装式，如图2所示，则可省去毛细管，用外壳的配件15直接将球泡连接到外壳16与布尔登管系统上。

当实用于需要较大力量和较大偏移的场合，例如配用控制器和记录器时，则采用本发明的螺旋结构的布尔登管（见图3）会有许多设计上的优点。将边缘焊合的扁管31做成螺旋状，焊到安装托架33上，在其自由端焊上输出头38。将安装托架用中心枢销35固定在仪表壳内的一块平板上，在托架的弧形槽口37中嵌入紧固螺钉36，可用来调整输出头的位置，以适应多种测量范围。与上述类似的，还可使用另一种立式螺旋形布尔登管39。（见图4）

图5显示将本项发明的布尔登管用于一种压力表。外壳配件51是气压的连通器。这种布尔登管作为气压传感器的特殊长处是其适应特宽范围的能力、线性输出和低外界温度效应。可以用一个隔膜封闭器52将表体与“污染”的或腐蚀性的工艺流程隔绝。将布尔登管系统内和隔膜53上部的容积充入一种不可压缩的液体，以便将隔膜的位移液动地传送到布尔登管中。由于这种布尔登管系统的容积较小，而其容积的变化亦小，它可以配用较小的隔膜（位移也小），对外界温度也不太敏感。

图6，图7与图8对照地画出几种布尔登管的端部剖视图，其中可见图8中本项发明的内容积达到最小程度。图6中所示的常规布尔登管，用于气体式温度计其内容积过大，而图7所示“扁化”的布尔登管虽减小了内容积，但并未减至最小，这主要是由于不能避免的“狗骨”（dogboning）65的形成和金属的反弹效应，扁化加工又能引起较大的剩余应力和边缘径向的破裂，如果布尔登管未经适当地消除应力。

图9的曲线表示25°F的外界温度变化对于四种前述第三类充气温度计相对于球泡温度的效应。

C与D为具有上述发明实施例的布尔登管的两种温度计。两种都具有0.375″直径×3.0″长度的球泡，一个是直装式，另一个有30呎长的连通毛细管。

曲线A表示一种改进的气体式、无外界温度补偿的常规布尔登管的典型误差。

曲线B表示上述A式系统附加双金属补偿器后的效应。

双金属仅能对外壳附近的温度变化有补偿作用，而且仅适应于一种球泡温度，通常是中等温度跨度。

曲线C是一种利用本发明实施例的改进型气体温度计（见图1），具有30呎毛细管。注意与A及B相对比外界温度误差的显著减小。

曲线D为具有本发明实施例结构的直装式温度计（见图2），毛细管外界效应已很微小。

曲线C与D显示上述最佳实施例结构的温度计具有显著减小的外界误差，因此可用于多种温度范围（可将额定温度跨度提高，超过高范围档次），可提供较小的额定跨度及/或使用较小的感测球泡。

常规气体温度计的最小额定温度跨度为300°F左右，改进型常规系统则为120°F左右。而利用本发明推荐实施例的结构，此种改进的气体温度计可以容易地获得40°F的温度跨度。

这项发明的另一优越性是它能使用小的球泡以插入标准测温插孔（这种插孔用于热电偶、电阻温度探测器及双金属温度计）。

对本发明实施例的上述说明仅是择要表示其对常规方法的重大改进，而本发明的范围并不仅限于上述。任何温度或压力测量系统如使用本发明的焊边式等弹性布尔登管，都可能在增大跨度变换范围、大幅度地减低外界温度效应和突破范围档次方面获得裨益。

所谓TIG焊接是一种在惰性气体中用钨电极产生的电弧，对焊口不添加金属的电弧焊技术的常用名称。所谓跨度变换范围是指仪器在广阔范围内变换其整个测量跨度的能力。

Claims (12)

1、充气式热-弹性装置用于量度压力或温度，其特征有：

一个弹性的气压腔，由两根在边缘处焊合的金属扁条构成，在上述气腔的首端有一进气孔，在其第二端有连接指示器的装置，此指示器反映出第二端的位移，上述金属扁条在其宽度的方向上基本是平的，沿着它长度的方向弯成弧形，将上述腔体的首端或接近端部固定于一个位置，制做上述扁条的金属的热-弹性系数不小于-20×10^-6PSi/PSi°F；

将用于量度其中温度或压力的气体容器接装到上述进气孔上，再将

一个反映上述弹性气腔第二端位移的指示器接到上述气腔体第二端的上述连接装置上。

2、如第一项权利要求4的装置，在上述气体容器和上述进气孔之间连接一条细长的毛细管道以供气体流通，用以量度远离上述弹性气压腔地点的温度。

3、根据权利要求1的装置，其中上述气体容器是一刚性的容器，可用以量度气体温度。

4、根据权利要求1的装置，其中上述气体容器是一可压缩的容器，用以量度压力。

5、制做用于量度其中气体压力的充气式热-弹性装置的方法，其特征在于：

将两条细长金属扁条从边缘处焊合到一起，制成焊合的扁条组件，上述金属为退火状态的一种合金，它可用时效硬化法加以热处理，以获得很小的热-弹性效应，其程度达到当用于温度计量时可以忽略;

在焊合的扁条组件的一端的两个边缘之间加工成一个开孔，也就是给两边焊合的两根扁条未焊合的相对平面之间所夹的薄隙构成一个入口;

将上述焊合扁条组件弯成弧形，制成焊合扁条式布尔登管;

在管内容有控压气体的情况下，将上述布尔登管热处理，使其热-弹性系数减至尽可能小;

将上述开孔与一个气体容器连接，而将上述布尔登管远离上述开孔的另一端连接一个指示器，再将

上述布尔登管、上述容器和两者之间的连通管按照选定的压力和温度要求充以适用测温的气体物质，然后将上述已充气的测温总成封闭。

6、根据权利要求5的方法，其中上述控压气体为降低的气压。

7、根据权利要求6的方法，其中上述降低的气压为干燥氢气的气压。

8、根据权利要求5的方法，加工上述开孔的工序是被称为“冲膨法”（bumping）操作，即用一个销针冲入两根扁条之间，使至少一根扁条的表面形成一个隆起。

9、根据权利要求5的方法，将焊合扁条式布尔登管具有上述开孔的一端安装到一个支持结构上。

10、根据权利要求5的方法，将上述焊合扁条组件弯成大于180°的圆弧形。

11、根据权利要求5的方法，将上述焊合扁条组件弯成螺旋形。

12、根据权利要求5的方法，将上述焊合扁条组件弯成立式螺旋形。

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