CN206311223U

CN206311223U - 测量平均温度的传感器组件

Info

Publication number: CN206311223U
Application number: CN201621386447.8U
Authority: CN
Inventors: 冯邻江; 张立新; 王�华; 张祖力; 肖翔; 吴勇军; 鞠华
Original assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2026-12-16

Abstract

本实用新型公开了一种测量平均温度的传感器组件，包括多个铠装热电偶、护套管以及接线盒，铠装热电偶至少二组探测元件，金属保护套管套在金属管状壳体上；所述接线盒上至少设置有两组引出线，每个铠装热电偶中的第一组探测元件中的正极与接线盒上的第一组引出线的正极并联，每个铠装热电偶中的第一组探测元件中的负极与接线盒上的第一组引出线的负极并联；每个铠装热电偶中的第二组探测元件中的正极与接线盒上的第二组引出线的正极并联，每个铠装热电偶中的第二组探测元件中的负极与接线盒上的第二组引出线的负极并联。本实用新型的可靠性高且可对高速流体的平均温度进行快速测量的优点。

Description

测量平均温度的传感器组件

技术领域

本实用新型涉及温度传感器领域，特别涉及一种测量平均温度的传感器组件。

背景技术

在现代工业生产中，用于温度测量的传感器几乎遍及生产过程中的各个环节。目前利用较多的是点式温度测量，也有部分线式温度测量。当需要得到一个面或者空间的平均温度时，一般会布置多个测量点通过逐个扫描或者多通道同时测量的方式测得某一个时间点某个区域内多个点的温度，然后进行温度平均计算，得到一个面或者一个空间内的平均温度。但是这样所需要较多的数据采集与处理仪表，而且对二次仪表的数据采集与处理速度要求很高。在一些特殊的工况环境如高温、高速流体，强震动环境的平均温度测量，对温度传感器的快速响应、可靠性、耐冲刷、耐腐蚀、抗振动等性能要求则更高，采用普通的多点式平均温度测量则很难满足要求。

在国内，平均温度的测量通称采用较多的数据采集与处理仪表的多点式测量，采集仪表较多、成本高、维护费用高，而且采用常规的温度计可靠性不高。国外有厂家生产的用于测量高速高温气流平均温度的测量装置，但是由于这类传感器属于特种仪表，进口价格不但高昂，且多为单组式，一般没有冗余设计，一旦某个传感器出现故障，将影响测量数据的准确。并且由于受到国际因素的限制，在维护、维修这类进口传感器时，国外厂商的技术响应时间较长，严重影响企业的生产作业，备品、备件的更换困难。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种测量平均温度的传感器组件，本实用新型的可靠性高且可对高速流体的平均温度进行快速测量。

本实用新型的技术方案如下：

一种测量平均温度的传感器组件，包括多个铠装热电偶，其特征在于，这些铠装热电偶的阻值相同，每个铠装热电偶包括金属管状壳体、至少两组探测元件、绝缘层、封头，金属管状壳体包括探测段、安装段，探测元件的一端位于金属管状壳体的探测段中，探测元件的另一端连接引出线，引出线外伸出金属管状壳体安装段内设有的密封部件，所述绝缘层填充在金属管状壳体内，封头焊接固定于探测段的端部；各铠装热电偶外设有金属保护套管，金属保护套管套在金属管状壳体上与金属管状壳体的安装段固定连接，金属保护套管的管壁与铠装热电偶的探测段对应的部位设有若干通孔，形成铠装热电偶温度传感器单体；

还包括一接线盒，各铠装热电偶温度传感器单体分别与接线盒固定连接，所述接线盒上至少设置有两组引出线用于分别与数据采集仪表电连接，每个铠装热电偶中的第一组探测元件中的正极与接线盒上的第一组引出线的正极并联，每个铠装热电偶中的第一组探测元件中的负极与接线盒上的第一组引出线的负极并联；每个铠装热电偶中的第二组探测元件中的正极与接线盒上的第二组引出线的正极并联，每个铠装热电偶中的第二组探测元件中的负极与接线盒上的第二组引出线的负极并联。

各铠装热电偶的每组探测元件由第一热电偶丝和第二热电偶丝组成，第一热电偶丝与第二热电偶丝的头端在位于探测段的端部焊接，第一热电偶丝、第二热电偶丝的尾端在安装段分别连接引出线。

所述密封部件为耐高温的环氧树脂。

铠装热电偶的探测段端部焊接封头后，采用拉拔缩径形成探测段外径小于安装段外径的铠装热电偶结构。

所述探测段外径小于安装段外径的铠装热电偶设于金属保护套管中，采用铠装拉拔减径使金属保护套管形成缩径段与铠装热电偶的安装段固定连接形成一体结构。

所述接线盒引出线的组数与铠装热电偶的探测元件组数相同。

本实用新型的优点在于，通过在金属保护套管上设置多个通孔，可以大大降低高速流体对位于金属保护套管内部的铠装热电偶的冲刷，提高单个传感器的可靠性。在接线盒上的多组引出线对应地连接每组探测元件，形成了多组式数据采集电路，在实际的使用过程中，每组数据采集电路均处于工作状态，所检测的信号即为所有测温点所测温度的平均值，而且当其中一组出现故障时，另外一组或几组提供的数据仍然是有效的。因此，这种平均温度传感器组件不但提高了铠装热电偶的响应速率，而且保证了提供采集数据的可靠性。

此外，本实用新型的铠装热电偶的探测段进行了局部缩径，因此进一步增加了绝缘层的致密度，使得与探测段对应的绝缘层和金属管状壳体、探测元件三者更加紧密地结合成为一体，更进一步满足了铠装热电偶在振动环境的应用要求，同时也提高了铠装热电偶的响应速率。

附图说明

图1为本实用新型中的单个铠装热电偶的示意图；

图2为本实用新型中的测量平均温度的传感器组件的示意图。

1为封头，2为第一热电偶丝，2a为第二热电偶丝，3为探测段，4为金属管状壳体，4a为安装段，5为引出线，6为密封部件，7为金属保护套管，8为通孔，9为缩径段，10为装配段，11为绝缘层，12为第一信号引出线，13为第二信号引出线，14为接盒线。

具体实施方式

最佳实施方式：

参见图1、图2所示，本实用新型的测量平均温度的传感器组件，包括多个阻值相同的铠装热电偶，本实施例中铠装热电偶的数量为8个，最少为2个，也可采用若干个。每个铠装热电偶包括金属管状壳体4、至少两组探测元件、绝缘层11、封头1。本实施例中，管状金属壳体4采用耐高温不锈钢材料GH3030，所述金属管状壳体4的两端均具有开口，金属管状壳体4包括探测段3、安装段4a。各铠装热电偶的探测元件的一端位于金属管状壳体4的探测段3中，探测元件的另一端连接引出线5，引出线5外伸出金属管状壳体安装段4a内设有的密封部件6，所述绝缘层11填充在金属管状壳体4内，封头1焊接固定于探测段3的端部；各铠装热电偶的每组探测元件由第一热电偶丝2和第二热电偶丝2a组成，第一热电偶丝2与第二热电偶丝2a的头端在位于探测段3的端部焊接，第一热电偶丝2、第二热电偶丝2a的尾端在安装段4a分别连接引出线5。在本实施方式中设置了两组探测元件，每组探测元件中的第一热电偶丝2和第二热电偶丝2a通过激光焊接而彼此电接触，这样能够增加铠装热电偶的可靠性。引出线5从金属管状壳体4的安装段4a的开口引出后，绝缘层11填充在金属管状壳体内，以将第一热电偶丝2和第二热电偶丝2a进行固定，绝缘层11的材质采用的是氧化镁。在安装段4a设置有密封部件6，优选地，密封部件6设置在安装段4a的开口处，密封部件6为耐高温的环氧树脂。为了满足快速响应的要求，探测段3所对应的绝缘层11需要进一步密实，本实施的处理方式是，在铠装热电偶的探测段3端部焊接封头1后，采用拉拔缩径形成探测段3外径小于安装段4a外径的铠装热电偶结构，形成变径阶梯。这与常规的电缆缩径过程不同，因为，此时的铠装热电偶的探测段3通过氩弧焊焊接封头1，里面已经充满了绝缘材料，常规的减径拉拔过程由于电缆会变长所以在减径拉拔过程中绝缘层会向两端移动，致密效果不明显，但是当一端焊接封头1后再进行局部缩径处理，则会使探测段3比常规工艺更加密实，并且只是探测段3进行局部减径，铠装热电偶整体强度不会减小。本实用新型的铠装热电偶的探测段3是在氩弧焊接封头1完成后再进行缩径加工，由于只是探测段3进行局部减径加工，因此进一步增加了绝缘层11的致密度，使得与探测段3对应的绝缘层11和金属管状壳体4、探测元件三者更加紧密地结合成为一体，更进一步满足了铠装热电偶在振动环境的应用要求，同时也提高了铠装热电偶的响应速率。

为了进一步增加铠装热电偶的可靠性和强度，各铠装热电偶外还设有金属保护套管7，金属保护套管7套在金属管状壳体4上与金属管状壳体的安装段4a固定连接，金属保护套管7的管壁与铠装热电偶的探测段3对应的部位设有若干通孔8。所述探测段3外径小于安装段4a外径的铠装热电偶设于金属保护套管7中，采用铠装拉拔减径使金属保护套管7形成缩径段9与铠装热电偶的安装段4a固定连接形成一体结构，并在金属保护套管7尾端的装配段10与缩径段9之间形成阶梯，可防止轴向串动。在变径段制作完成后，将金属保护套管7的装配段10与内部的铠装热电偶的金属管状壳体4尾端接触处采用激光焊接进行密封焊接，至使金属外套管7与内部的铠装热电偶形成整体结构。金属管状壳体4与金属保护套管7的装配过程如下：将上述装配有探测元件、绝缘层11、封头1的金属管状壳体4装入金属保护套管7中，通过二次铠装技术拉拔处理，使金属管状壳体4与金属保护套管7固定形成完整的一体，为了进一步增加传感器的抗震能力，再次对金属保护套管7进行旋锻加供工，从而形成有缩径段9的金属保护套管7。为了进一步提高可靠性，在缩径段9制作完成后，在金属保护套管7与内部的金属管状壳体4接触处采用激光焊接进行密封焊接，使金属保护套管7与内部的金属管状壳体4形成整体，然后用耐高温的密封部件6密封引出线5之间的间隙，所述密封部件6为采用耐高温的环氧树脂为佳，由此制备成高强度铠装热电偶温度传感器单体15。

为了进一步提高铠装热电偶的响应速率，在金属保护套管7的管壁与铠装热电偶的探测段对应的部位设有若干通孔8。优选地，所述金属保护套管7上设有若干通孔8的部位为缩径段9。通过通孔8可以大大降低高速流体对内部金属管状壳体4的冲刷，提高铠装热电偶的可靠性。

参见图1，本实施例还包括一接线盒14，各高强度的铠装热电偶温度传感器单体15的金属保护套管7分别与接线盒14固定连接，所述接线盒14上至少设置有两组引出线用于分别与数据采集仪表电连接，本实用新型中在接线盒14上优先设置两组引出线，即第一组引出线12和第二组引出线13，每个铠装热电偶中的第一组探测元件中的正极与接线盒上的第一组引出线12的正极并联，每个铠装热电偶中的第一组探测元件中的负极与接线盒上的第一组引出线12的负极并联；每个铠装热电偶中的第二组探测元件中的正极与接线盒上的第二组引出线13的正极并联，每个铠装热电偶中的第二组探测元件中的负极与接线盒上的第二组引出线13的负极并联。

从图中可以看出每支铠装热电偶为双组式，即引出线为四根，为了达到平均温度测量的目的，每支铠装热电偶的每一组电阻值必须相等，连接方法为所有铠装热电偶相同一组的正极相连接，负极相连接，因此，由于为双组式，所以并联相连接后，通过第一信号引出线12和第二信号引出线13引出。所检测的信号即为所有测温点所测温度的平均值，由于形成了双组式数据采集，在实际的使用过程中，每组数据采集电路均处于工作状态，当其中一组出现故障时，另一组提供的数据仍然是有效的。因此，这种平均温度传感器组件不但提高了铠装热电偶的响应速率，而且保证了提供采集数据的可靠性。

如果，接线盒14上引出线的组数以及每支铠装热电偶中的探测元件组数大于2组，则连线方式按照上述的每个铠装热电偶中的探测元件组数以及接线盒上引出线的组数，依次类推。

上述实施方式中的铠装热电偶为双组式，定义为A组和B组，因此，引出的4根偶丝分别为,A+，A-，B+，B-，……当有n支铠装热电偶时则为A₁+，A₁-，B₁+，B₁-，……A_n+，A_n-，B_n+，B_n-，铠装热电偶四根引出线的并联连接方式为，从A₁+……A_n+连接在一起，A₁-……A_n-，连接在一起，然后从两个连接点即A+和A-引出两根线，即为A组平均温度电势信号线，同理将B₁+……B_n+，连接在一起，B₁-……B_n-连接在一起，然后从两个连接点即B+和B-引出两根线，即为B组平均温度电势信号线，所有的信号的连接在接线盒14中连接，所述铠装热电偶采用两组式或者多组式为了提高可靠性，本实施方式所述为两组式，也可以单组式或更多组式，来实现快速平均温度的检测。

在制作加工时，采用铠装电缆的拉拔工艺得到双组式的铠装热电偶，外径为3.5mm，铠装热电偶内偶丝直径由最终传感器的电阻值来确定。因为，所有的热电偶的电阻值要求相等，外径相等，但是由于每支热电偶的安装位置不同，长度则可能不一样。因此，为了满足电阻相等的要求则热电偶内的偶丝直径则不一样，因此，铠装热电偶拉拔时，选择正确的偶丝直径非常关键，主要计算公式为：由和式中，R为电阻值，ρ为偶丝的电阻率，L为铠装热电偶的长度，S为偶丝截面积，D为偶丝直径。假如，铠装热电偶电缆外径为8mm时，内部偶丝的直径为0.6mm，米电阻为2Ω/m，由此可以得到当1米长的外径为8mm的致密铠装热电偶电缆铠装拉拔到3.5mm时长度变为约5.22米，内部芯线的直径由原来的0.6mm变为0.263mm，由此即可计算出外径为3.5mm时的米电阻值，来保证电阻值相同而长度不同。将外径为3.5mm的铠装热电偶电缆中的偶丝通过激光焊接的方法，焊接成两组热电偶，即形成两组回路，激光焊接完成后，用氩弧焊接的方式对铠装热电偶电缆的金属管状壳体的前端焊接封头。

为了满足快速响应的要求，铠热电偶的探测端绝缘层11(MgO)需要进一步密实，需要对探测端进行局部减径处理，与常规的电缆减径过程不同，因为，此时的铠装热电偶的探测端已经通过氩弧焊焊接封头，里面已经充满了绝缘材料，常规的减径拉拔过程由于电缆会变长所以在减径拉拔过程中绝缘层会向两端移动，致密效果不明显，但是当一端焊接封头后再进行局部减径处理，则会使探测端比常规工艺更加密实，而铠装热电偶整体强度不会减小，因为，只是顶端探测端进行局部减径。采用此方法将此双组式铠装热电偶的探测段减径到外径2.0mm，长度为15mm。

变径的铠装热电偶制作完成后，再将铠装热电偶装入与铠装热电偶外套管材料相同的金属外套管内，尺寸为4.5×0.5，再通过第二次拉拔到外径4.4mm。然后再次运用旋锻工艺，将装有铠装热电偶的金属外套管探测段，旋锻到外径为4.3mm，形成变径段9。最后运用数控精密铣床将铠装热电偶的变径探测段的金属外套管壁铣出若干通孔8然后将铠装热电偶与金属外套管在信号线引出端通过激光焊实现密封焊接，然后将变径面的开孔的高强度铠装热电偶传感器单体置于120℃环境中，使铠装热电偶中的四根热电偶丝与金属壳体的绝缘电阻大于1000MΩ·m，两组热电偶丝之间绝缘电阻大于1000MΩ·m，然后在信号引出端灌入耐高温的密封胶6，最后引出两组热电偶丝5。

具体实施例1：

将外径为2.0mm按常规工艺制作的铠装热电偶5支，编号分别为CG1#，CG2#，CG3#，CG4#，CG5#。按上述最佳实施方式制作的铠装热电偶(探测端由外径3.5mm变径到外径为2.0mm)5支编号分别为，BJ1#，BJ2#，BJ3#，BJ4#，BJ5#，进行热响应时间的比对检测，所得热响应时间τ_0.632时间为s，结果见下表：

从表中可以看出按照最佳实施方式得到的铠装热电偶热响应时间比常规工艺制作的快2倍，从而实现高速测量的要求，此外，由于铠装热电偶本身的探测端内绝缘材料的致密度较常规制备工艺的更高，因此抵抗震动的能力更强，而且，在铠装热电偶的外面还增加了通过二次铠装工艺制备的金属外金属保护套管7，且金属外保护管7通过再次的缩径处理，因此，进一步提高了铠装热电偶的强度和可靠性，而且外金属保护套管在传感器的探测段设置了通流体的孔洞，进一步增强了铠装热电偶探测段的抗冲刷能力，且不影响传感器的响应速率。

具体实施例2：

在一个直径为800mm的圆形空调***的排气管道截面上均布4支最佳实施方式中的双组式铠装热电偶，沿径向***管道，但是采用两种数据采集的方法，其中A组铠装热电偶分别接入4个数据采集单元，而B组采用并联连接的方式，连接后引出一组平均温度信号线，接入一个数据采集单元，进行实时温度监测，5个数据采集单元一共采集了10次，监测结果如下表：

4支并联与4支单点平均温度值比较(℃)

4个单点温度平均值	23.5	25.6	24.2	20.1	21.9	25.7	26.2	25.5	23.5	21.0
											4个单点并联值	23.7	25.9	24.5	20.4	22.1	25.9	26.5	25.7	23.8	21.3

从上表可以看出，并联后的平均温度监测值与单点温度平均值最大误差在1.5％以内，因此，采用并联方式替代多支单点平均温度测量方式，使测温二次仪表数目大幅度减少，工作强度降低。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本本实用新型的范围进行限定，在不脱离本本实用新型的设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种测量平均温度的传感器组件，包括多个铠装热电偶，其特征在于，这些铠装热电偶的阻值相同，每个铠装热电偶包括金属管状壳体、至少两组探测元件、绝缘层、封头，金属管状壳体包括探测段、安装段，探测元件的一端位于金属管状壳体的探测段中，探测元件的另一端连接引出线，引出线外伸出金属管状壳体安装段内设有的密封部件，所述绝缘层填充在金属管状壳体内，封头焊接固定于探测段的端部；各铠装热电偶外设有金属保护套管，金属保护套管套在金属管状壳体上与金属管状壳体的安装段固定连接，金属保护套管的管壁与铠装热电偶的探测段对应的部位设有若干通孔，形成铠装热电偶温度传感器单体；

2.根据权利要求1所述的测量平均温度的传感器组件，其特征在于：各铠装热电偶的每组探测元件由第一热电偶丝和第二热电偶丝组成，第一热电偶丝与第二热电偶丝的头端在位于探测段的端部焊接，第一热电偶丝、第二热电偶丝的尾端在安装段分别连接引出线。

3.根据权利要求1所述的测量平均温度的传感器组件，其特征在于：所述密封部件为耐高温的环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的测量平均温度的传感器组件，其特征在于：铠装热电偶的探测段端部焊接封头后，采用拉拔缩径形成探测段外径小于安装段外径的铠装热电偶结构。

5.根据权利要求4所述的测量平均温度的传感器组件，其特征在于：所述探测段外径小于安装段外径的铠装热电偶设于金属保护套管中，采用铠装拉拔减径使金属保护套管形成缩径段与铠装热电偶的安装段固定连接形成一体结构。

6.根据权利要求1所述的测量平均温度的传感器组件其特征在于：所述接线盒引出线的组数与铠装热电偶的探测元件组数相同。