CN88100339A - 快速响应的热电偶元件 - Google Patents

Abstract

一种用于高压高温流体中的热电偶元件(10)，它 有一个由第一种金属材料制作的圆柱形主体(12)和 由另一种性质不同的金属材料制作的帽盖(14)。帽 盖与主体熔融在一起，使接合端(18)形成轴向热电偶 接合端。在帽盖及主体上形成一些沟槽(13、20)，从 而减少了接合端附近的材料的质量，使被测热流迅 速地传到接合端。

Description

本发明一般涉及热电偶元件，具体涉及用在高压系统里的对温度变化快速响应的热电偶元件。

在汽轮发电机那样的系统里，需要测量高压高温状态下的温度，以便控制和监测该系统。当用温度传感器的温度信号测量或控制一个系统或设备的操作或过程时，在很多情况下，例如为了防止系统过调和不稳定，温度敏感元件响应快是非常关键的。当用热电偶作温度传感器时，通常用一根热电偶套管把工作流体介质与热电偶接合端隔开。温度变化必须经过热电偶套管的外壁才能传到热电偶的接合端，这就延长了响应时间。因此在要求快速响应的时候，上述结构一般不能满足要求。

至今人们一直设法改进热电偶的响应时间，例如参阅Benedict等人的美国专利No4，460，802。该专利公开了几种不同形式的设计，但是它基本上阐述了彼此十分类似的结构，即一种金属的平盘沿径向焊到另一种金属的管状元件上。将两根引线分别接在盘状元件和有径向接合端的管状元件上，当该接合端的温度与热电偶系统的外参考端的温度不同时，这两根引线之间就产生出所需要的电动势。该专利声称，其响应速度有了改善，超过了在小的热电偶端上罩上个热电偶套管的普通热电偶的响应时间，因为这两种不同性质的金属及其接合端直接放置在被监测的流体介质中。

即使Benedict等人的热电偶的响应时间得到了改善，这种热电偶用于高压流体介质时还有一些缺点。作用在盘状元件上的压力将在径向接合端产生应力，可能造成碎裂或脱落。正如下面将要看到的，这种压力会使该盘状元件产生凹陷，从而使园盘园周上的接合端脱开。因此这种径向结构不完全适用于高压系统中。

因此，需要有一种用在高压、高温条件下，具有快速响应，並且在两种不同金属接合端没有径向应力也没有其他应力的热电偶。

本发明是一种在高压、高温条件下使用的改进的热电偶元件，它包括一个由第一种金属作成的园柱体，该园柱体末端的直径减小，在末端和主体之间形成一个园柱台肩。最好在主体上靠近台肩处作上一些小台阶，以便加速热交换。一个外径与主体相同的帽盖恰好装在那段直径减小的末端部分。该帽盖是由另一种性质不同的合乎要求的金属制作的，使该帽盖的内表面与主体末端部分的外表面构成一个轴向热电偶接合端。用电子束或其他类似的聚焦熔化法将这两个金属元件的接合端焊在一起。

把一条穿在绝缘套管里通过主体的引线连结于该帽盖上。这条引线和主体上的另一条引线共同构成了热电偶的输出引线。

该帽盖的外表面上还作了些小台阶。这些小台阶和主体上的沟槽合在一起后，这些台阶可使流体介质的热量迅速传到热电偶的轴向环形接合端。选择帽盖顶端和环形部分的厚薄和形状，使流体介质温度变化时，接合端感受到温度差所需要的时间最小。

当帽盖受到高压作用时，它的裙缘或者环形部分将有效地阻止它的顶部表面凹陷，並且有效地减少在焊接点可能产生的应力。该结构减少了应力並且允许使用较薄材料，从而提供快速的热电响应。

本发明的主要目的在于提供一种适合在高压、高温条件下使用的改进的热电偶温度敏感元件。

为了上述目的，本发明具有一个快速热电响应的热电偶装置，它包括一个由第一种金属材料制作的细长主体;一个具有裙缘的帽盖，该帽盖由不同的第二种金属材料制作成，並且套在主体末端上;在该裙缘的内表面和该主体的外侧表面之间构成的热电偶的接合端;连在该帽盖上的第一根热电偶输出引线;以及接在该主体上的第二根热电偶输出引线。

通过实例及其附图具体说明本发明的最佳实施例。其中，

图1是一个安装了本发明热电偶元件的导管横断面剖视图。

图2是图1所示热偶元件的局部剖视图。

图3是图1所示热电偶元件的局部横断面剖视图，表示热电偶接合端及热流流过它的方式。

本发明适合的典型应用是测量高压汽轮机导管里的蒸汽温度。首先参看图1，图中示出有流体30流过的导管25。

要求能够精确地测出流体30的温度，特别是能够迅速地监测出其温度变化。为此安装了以10整体表示的本发明的热电偶元件。虽然热电偶元件10的结构可以多种多样，但是图1所示的是一种典型的设计。主体12由第一种金属材料制作，它在靠近末端的地方有螺纹15，螺纹15上安装了一个六角螺母28。在该实例中，管道25上有一个凸台26，其内有与主体上的螺纹15相配合的螺纹29。靠近主体12的另一末端有一些沟槽13。帽盖14装在主体12的末端上，其结构如下详细表示。

帽盖14由一种不同于主体12的金属材料制作，这样在帽盖14和主体末端之间构成了热电偶接合端18（图1里未表示出）。引线22及27分别与帽盖14和主体12相连，这就是热电偶接合端18的输出线。在帽盖14上有一对沟槽20。

从下面的叙述将会看到，沟槽13和20增加了热电偶元件与流体介质30接触的表面面积，並且至少有一个沟槽使接合端处的厚度减小，以增加流到接合端18的热流量。图2是热电偶元件10的局部透视图，去掉一部分是为了表示接合端18的细部。从图可以看到，主体12在靠近端部有一段螺纹15和一段直径变小的末端19。另外，如上所述，靠近末端19有一对沟槽13。

整体表示为14的帽盖由另一种符合要求的金属材料制作，並且有一个园盘形顶盖16和一个环形连结裙缘23。裙缘23上车出一对同心沟槽20。帽盖14装在主体12的末端19上，裙缘23的内表面与主体12的末端19的外表面焊在一起，构成接合端18。

可以用电子束法或现有技术中其他适当的焊接方法进行焊接。引线22的材料与帽盖14的完全一样，该引线连在帽盖14的中心，並穿过带有陶瓷或其他高温绝缘材料制成的绝缘套管24的热电偶中心部分。

根据要测量的温度范围和该热电偶的使用情况，热电偶元件10可由任意两种不同性质的金属材料制作。典型的主体12可以是不锈钢的，而端部帽盖14可以是镍的。其他已知的金属组合类型有铁-康铜;镍铬-镍铝，铜-康铜等。为了保证快速响应，要求帽盖14的园盘状顶盖比较薄，例如在5毫米数量级，主体12及帽盖14的直径为2-5厘米数量级。

现在参看图3，从这里可以清楚地看到接合端的更详细的情况。图中表示出了图1所示热电偶元件10的局部剖面，並且表示出了由裙缘23的内表面和主体12的末端19焊在一起构成的接合端18。假设图3所示的热电偶元件10置于热源当中，图中各个箭头H表示热流使接合端18与流体温度达到平衡而在帽盖和主体材料中流经的较短路径。由图3还可以看到，作用在帽盖14的园盘16外表面上的压力，将在帽盖14的边缘上只产生很小应力，因此影响不到接合端18的整体性。帽盖14及主体12上的沟槽减少了接合端附近材料的质量，並且增加了直接与待测气体或流体接触的热传导表面。

至此公开了一种具有高可靠性和快速响应的新的改进的热电偶元件，它能够作得十分坚固。鉴于热电偶帽盖结构的配置，待测物质和热电偶元件主体的内表面互相隔开，並且沿园柱表面构成热电偶的接合端。当该帽盖受到高的压力作用时，这种结构有助于减小径向接合端结构中通常所出现的应力。帽盖和弯头由同种材料制成，因此，压应力主要在帽盖里形成，並且它的破裂几率比现有技术已知的热电偶元件要小得多。

Claims (10)

1、一种具有快速热电响应的热电偶元件，其特征在于包括：

一个由第一种金属制造的细长主体(12、19)；

一个具有裙缘(23)的帽盖(14)，所说的帽盖由性质不同的第二种金属制成，並且所说的帽盖装在所说的主体的末端(19)上；

一个在所说的裙缘的内表面和所说的主体的外表面之间形成的接合端(18)；

一根与所说的帽盖相连的第一根热电偶输出线(22)；

一根与所说的主体相连的第二根热电偶输出线(27)；

2、如权利要求1所定义的元件，其中所说的主体部分基本上是园柱形的。

3、如权利要求2所定义的元件，其中所说的帽盖基本上是园柱形的。

4、如权利要求1所定义的元件，其中所说的主体部分包括在所说的接合端附近的至少一个沟槽（13）。

5、如权利要求1所定义的元件，其中所说的裙缘包括在所说的接合端附近的至少一个沟槽（20）。

6、如权利要求1所定义的元件，其中所说的主体包括用来将所说的元件装在需要测定温度的流体中的装置（15）。

7、如权利要求1所定义的元件，其中所说的热电偶接合端（18）通过使所说的第一种和第二种金属熔融在一起构成。

8、一种热电偶元件其特征在于包括：

一个由第一种金属材料制作的细长园柱形主体（2），所说的主体在靠近末端有一段螺纹（15）和一段比所说的主体直径减小的末端（19）。以及

一个具有园盘（16）和裙缘（23）的园柱形帽盖（14），所说的帽盖装在所说的主体的末端上，所说帽盖的园柱内表面与所说末端的园柱外表面构成热电偶的接合端（18）。

9、如权利要求8所定义的元件，其中所说帽盖的内表面与所说末端的外表面熔融在一起。

10、如权利要求8所定义的元件，其中所说的主体包括在所说的末端附近的一些沟槽（13），所说的帽盖包括在所说的主体附近的一些沟槽（20）。

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