RU2533755C1

RU2533755C1 - Resistive temperature transducer (versions), and method for its manufacture

Info

Publication number: RU2533755C1
Application number: RU2013122973/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Куликов; Кирилл Андреевич Никитин; Максим Александрович Рогожников
Original assignee: Виктор Александрович Куликов; Кирилл Андреевич Никитин
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-11-20
Also published as: RU2013122973A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: resistive temperature transducer includes a multilayered tube consisting of an external metal layer, an internal dielectric layer on which a coil of a sensitive element from an isolated wire is wound. The tube also includes an electrically-insulating layer applied above the coil of the sensitive element and the internal dielectric layer. The dielectric tube is made from polymer and has an outer diameter that is equal to or larger than the inner diameter of the metal tube forming an external layer of the resistive temperature transducer. A manufacturing method of a resistive temperature transducer proposes winding of the coil of wire on the dielectric tube. Before the coil is wound, the dielectric tube is elongated by stretching along the longitudinal axis till the diameter that is smaller than the inner diameter of the metal tube. After winding is completed, protection of the coil wire is performed by means of an electrically-insulating layer; the dielectric tube is placed inside the metal tube and heating of the whole structure is performed till compression of the dielectric tube before a common multilayered element is formed.

EFFECT: improving accuracy of measurements and reliability of a metre.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры газообразных, жидких и сыпучих сред.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to measure the temperature of gaseous, liquid and granular media.

Известна конструкция термопреобразователя сопротивления по патенту РФ №58703 от 19.05.2006 г., содержащая корпус в виде трубки и помещенные в него чувствительный элемент в виде катушки провода с каркасом, изолятор и электрические выводы термопреобразователя. Теплопроводящий наконечник корпуса находится в тепловом контакте с каркасом, при этом катушка намотана на каркас в несколько слоев, изолятор присоединен к каркасу через переходный цилиндр и выполнен в виде пластины с контактными площадками, на которых выводы катушки провода чувствительного элемента электрически соединены с выводами термопреобразователя сопротивления. Наконечник корпуса выполнен как единое целое с каркасом.A known design of a resistance thermal converter according to the patent of the Russian Federation No. 58703 dated 05/19/2006, containing a housing in the form of a tube and a sensing element in the form of a wire coil with a frame, an insulator and electrical leads of the thermal converter, is placed in it. The heat-conducting tip of the case is in thermal contact with the frame, while the coil is wound on the frame in several layers, the insulator is connected to the frame through a transition cylinder and is made in the form of a plate with contact pads on which the terminals of the coil of the wire of the sensing element are electrically connected to the terminals of the resistance thermal converter. The tip of the body is made as a unit with the frame.

Недостатками конструкции являются низкая надежность вследствие электрического замыкания витков катушки на корпус в условиях вибрации и большая погрешность измерения температуры, обусловленная саморазгревом чувствительного элемента под действием измерительного тока за счет большого термического сопротивления между верхними слоями катушки и корпусом.The design disadvantages are low reliability due to the electrical circuit of the coil turns on the housing under vibration conditions and a large error in temperature measurement due to self-heating of the sensing element under the influence of the measuring current due to the large thermal resistance between the upper layers of the coil and the housing.

Известна конструкция термопреобразователя сопротивления по патенту РФ №105442 от 12.01.2011, которая содержит корпус в виде трубки с теплопроводящим наконечником корпуса, помещенные в него чувствительный элемент в виде катушки провода с каркасом, изолятор с контактными площадками, электрические выводы термопреобразователя и диэлектрическую теплопроводящую трубку.The known design of the resistance thermoconverter according to the patent of the Russian Federation No. 105442 dated 01/12/2011, which contains a housing in the form of a tube with a heat-conducting tip of the housing, a sensitive element in the form of a wire coil with a frame, an insulator with contact pads, electrical terminals of the thermal converter and a dielectric heat-conducting tube, are placed in it.

Недостатками конструкции являются низкая точность измерения температуры вследствие саморазогрева чувствительного элемента измерительным током и большое время установления температуры термопреобразователя ввиду большой общей теплоемкости, а также низкая надежность термопреобразователя, обусловленная перемещениями витков катушки и электрическим замыканием между ними в условиях вибраций.The design disadvantages are the low accuracy of temperature measurement due to self-heating of the sensitive element by the measuring current and the long time the temperature of the thermocouple is established due to the large total heat capacity, as well as the low reliability of the thermocouple due to the displacement of the coil turns and the electrical circuit between them under vibration conditions.

Способ изготовления данной конструкции осуществляют намоткой катушки провода чувствительного элемента на каркас, при этом изолятор с контактными площадками присоединяют к каркасу. Контактные площадки изолятора электрически соединяют с выводами катушки провода чувствительного элемента и с выводами термопреобразователя сопротивления. Дополнительно устанавливают диэлектрическую теплопроводящую трубку, например, из фторопласта, которую располагают между корпусом и катушкой чувствительного элемента.A method of manufacturing this design is carried out by winding a coil of wire of the sensing element on the frame, while an insulator with contact pads is attached to the frame. The contact pads of the insulator are electrically connected to the terminals of the coil of the wire of the sensing element and to the terminals of the resistance thermoconverter. Additionally, a dielectric heat-conducting tube is installed, for example, of fluoroplastic, which is placed between the housing and the coil of the sensing element.

Недостатком способа является высокая трудоемкость изготовления термопреобразователя из-за большого количества технологических операций, что также снижает надежность его конструкции.The disadvantage of this method is the high complexity of manufacturing a thermal converter due to the large number of technological operations, which also reduces the reliability of its design.

Задачей изобретения является повышение точности измерения и снижение времени установления температуры, а также повышение надежности термопреобразователя.The objective of the invention is to increase the accuracy of measurement and reduce the time to establish the temperature, as well as increase the reliability of the thermal converter.

Технический результат достигается за счет уменьшения термического сопротивления между катушкой чувствительного элемента и корпусом термопреобразователя, ведущего к снижению саморазогрева чувствительного элемента измерительным током. Технический результат достигается также за счет уменьшения общей теплоемкости термопреобразователя ввиду отсутствия металлического каркаса катушки чувствительного элемента и фиксации положения витков катушки при изготовлении.The technical result is achieved by reducing thermal resistance between the coil of the sensing element and the housing of the thermocouple, leading to a decrease in self-heating of the sensitive element by the measuring current. The technical result is also achieved by reducing the total heat capacity of the thermocouple due to the lack of a metal frame of the coil of the sensing element and fixing the position of the turns of the coil during manufacture.

Поставленная задача достигается тем, что термопреобразователь сопротивления выполнен в виде многослойной трубки, состоящей из прилегающих друг к другу наружного металлического слоя и двух внутренних диэлектрических слоев. На ограниченном по длине участке трубки между диэлектрическими слоями расположена однослойная катушка провода чувствительного элемента, концы которой выведены через отверстия во внутреннем диэлектрическом слое внутрь трубки для присоединения к выводам термопреобразователя.The problem is achieved in that the resistance thermoconverter is made in the form of a multilayer tube consisting of an outer metal layer adjacent to each other and two inner dielectric layers. On a tube section limited in length between the dielectric layers, there is a single-layer coil of wire of the sensing element, the ends of which are brought out through holes in the inner dielectric layer inside the tube for connection to the terminals of the thermal converter.

Поставленная задача достигается тем, что термопреобразователь сопротивления выполнен в виде многослойной трубки, состоящей из прилегающих друг к другу наружного металлического слоя и двух внутренних диэлектрических слоев. На ограниченном по длине участке трубки между диэлектрическими слоями расположена однослойная катушка провода чувствительного элемента, концы которой выведены через отверстия в металлическом и внешнем диэлектрическом слоях наружу для присоединения к выводам термопреобразователя.The problem is achieved in that the resistance thermoconverter is made in the form of a multilayer tube consisting of an outer metal layer adjacent to each other and two inner dielectric layers. On a tube section limited in length between the dielectric layers, a single-layer coil of wire of the sensing element is located, the ends of which are brought out through holes in the metal and external dielectric layers to connect to the terminals of the thermal converter.

Поставленная задача достигается также тем, что термопреобразователь сопротивления изготавливают намоткой катушки провода на диэлектрическую трубку, перед намоткой катушки диэлектрическую трубку удлиняют путем вытягивания вдоль продольной оси до диаметра, меньшего внутреннего диаметра металлической трубки, после намотки производят защиту провода катушки электроизолирующим слоем, диэлектрическую трубку помещают внутрь металлической трубки и производят нагрев всей конструкции до момента сжатия диэлектрической трубки вдоль оси и образования единого многослойного элемента.The task is also achieved by the fact that a resistance thermoconverter is made by winding a wire coil on a dielectric tube, before winding the coil, the dielectric tube is extended by stretching along the longitudinal axis to a diameter smaller than the inner diameter of the metal tube, after winding, the coil wire is protected by an electrically insulating layer, the dielectric tube is placed inside metal tube and produce heating of the entire structure until the dielectric tube is compressed along the axis and about mation of common sandwich element.

При сжатии диэлектрической трубки при нагреве происходит увеличение ее диаметра, и она вместе с катушкой и электроизолирующим слоем плотно прилегает к металлической трубке, образуя единую многослойную трубку.When the dielectric tube is compressed during heating, its diameter increases, and it, together with the coil and the electrically insulating layer, adheres tightly to the metal tube, forming a single multilayer tube.

Варианты конструкции термопреобразователя сопротивления поясняются чертежами, где на фигуре 1 схематично изображен разрез термопреобразователя, предназначенного для измерения температуры газообразных, жидких и сыпучих сред путем погружения, а на фигуре 2 - разрез термопреобразователя, предназначенного для измерения температуры жидкости в транспортном трубопроводе.The design options of the resistance thermal converter are illustrated by the drawings, in which Figure 1 schematically shows a section of a thermal converter designed to measure the temperature of gaseous, liquid, and granular media by immersion, and figure 2 shows a section of a thermal converter designed to measure the temperature of a liquid in a transport pipeline.

Термопреобразователь сопротивления содержит многослойную трубку, состоящую из внешнего металлического слоя 1, внутреннего диэлектрического слоя 2, на который намотана катушка чувствительного элемента 3 из изолированного провода с концами 4, и электроизолирующего слоя 5, нанесенного поверх катушки чувствительного элемента 3 и внутреннего диэлектрического слоя 2.The resistance thermoconverter contains a multilayer tube consisting of an external metal layer 1, an inner dielectric layer 2, on which a coil of the sensing element 3 is wound from an insulated wire with ends 4, and an electrical insulating layer 5 deposited on top of the coil of the sensitive element 3 and the inner dielectric layer 2.

Способ изготовления термопреобразователя сопротивленияA method of manufacturing a resistance thermoconverter

Диэлектрическую трубку 2 из полимера, например, фторопласта с наружным диаметром, равным или большим внутреннему диаметру металлической трубки 1, образующей внешний слой термопреобразователя, вытягивают вдоль оси до диаметра, меньшего внутреннего диаметра металлической трубки 1. На поверхность диэлектрической трубки 2 наматывают однослойную катушку 3 изолированного провода, например, из меди. Поверх катушки 3 чувствительного элемента наносят слой электроизоляции 5, например, в виде диэлектрической полимерной пленки из фторопласта. Концы катушки 3 через отверстия в диэлектрической трубке 2 или в слое 5 электроизоляции и металлической трубке 1 выводят соответственно внутрь диэлектрической трубки 2 или наружу для подключения к выводам термопреобразователя. Диэлектрическую трубку 2 с чувствительным элементом 3 и слоем диэлектрика 5 помещают внутрь металлической трубки 1.A dielectric tube 2 made of a polymer, for example, fluoroplastic, with an outer diameter equal to or greater than the inner diameter of the metal tube 1 forming the outer layer of the thermocouple, is pulled along the axis to a diameter smaller than the inner diameter of the metal tube 1. A single-layer coil 3 of an insulated coil 3 is wound on the surface of the dielectric tube 2 wires, for example, made of copper. A layer of electrical insulation 5 is applied over the coil 3 of the sensing element, for example, in the form of a dielectric polymer film of fluoroplastic. The ends of the coil 3 through the holes in the dielectric tube 2 or in the layer 5 of the electrical insulation and the metal tube 1 are respectively discharged into the dielectric tube 2 or outward, for connection to the terminals of the thermal converter. The dielectric tube 2 with the sensing element 3 and the dielectric layer 5 is placed inside the metal tube 1.

Термопреобразователь сопротивления с установленными внутрь металлической трубки 1 диэлектричекой трубкой 2, катушкой 3 и слоем диэлектрика 5 нагревают до температуры размягчения диэлектрической трубки 2. После сжатия диэлектрической трубки в осевом направлении конструкцию термопреобразователя охлаждают до температуры окружающей среды.The resistance thermoconverter with the insulating tube 2 installed inside the metal tube 1, the coil 3 and the dielectric layer 5 is heated to the softening temperature of the dielectric tube 2. After compressing the dielectric tube in the axial direction, the thermocouple structure is cooled to ambient temperature.

При сжатии диэлектрической трубки в осевом направлении диаметр ее увеличивается, что обеспечивает вытягивание витков катушки 3 и электроизолирующего слоя 5 и плотное прилегание электроизолирующего слоя 5 к металлическому слою 1, катушки 3 - к электроизолирующему слою 5 и слоя диэлектрика 2 - к катушке 3 и электроизолирующему слою 5. Также за счет нагревания снимаются внутренние механические напряжения в катушке 3 чувствительного элемента, что обеспечивает стабильность градуировочной характеристики термопреобразователя в процессе эксплуатации.When the dielectric tube is compressed in the axial direction, its diameter increases, which ensures the coils of the coil 3 and the electrically insulating layer 5 are stretched and the electrically insulating layer 5 is tightly adhered to the metal layer 1, the coil 3 to the electrically insulating layer 5 and the dielectric layer 2 to the coil 3 and the electrically insulating layer 5. Also, due to heating, internal mechanical stresses in the coil 3 of the sensing element are removed, which ensures the stability of the calibration characteristics of the thermal converter during operation nation.

Термопреобразователь сопротивления работает следующим образом.Thermal resistance works as follows.

Путем погружения теромпреобразователь сопротивления вводится в исследуемую среду. Через катушку 3 чувствительного элемента пропускается измерительный ток. За счет мощности тока происходит выделение тепла в катушке. От катушки чувствительного элемента тепло отводится в радиальном направлении через электроизолирующий слой 5 и металлический слой 1 в среду. Тепло также отводится в среду через внутренний диэлектрический слой 2 в обход катушки 3, который за пределами катушки плотно прилегает к электроизолирующему 2 и металлическому 1 слоям. Благодаря малому термическому сопротивлению между катушкой 3 и металлическим слоем 1 термопреобразователя и малой его общей теплоемкости обеспечиваются снижение погрешности измерений температуры за счет саморазогрева измерительным током и времени установления его температуры. Конструкция термопреобразователя обеспечивает фиксацию витков катушки 3 чувствительного элемента между диэлектрическим 2 и электроизолирующим 5 слоями, что ограничивает перемещение витков и исключает межвитковые электрические замыкания в условиях вибраций и, в свою очередь, обеспечивает повышение надежности термопреобразователя.By immersion, the resistance thermal converter is introduced into the medium under study. A measuring current is passed through the coil 3 of the sensing element. Due to the current power, heat is generated in the coil. From the coil of the sensing element, heat is radially removed through the electrically insulating layer 5 and the metal layer 1 into the medium. Heat is also removed to the medium through the inner dielectric layer 2, bypassing the coil 3, which, outside the coil, is closely adjacent to the electrically insulating 2 and metal 1 layers. Due to the low thermal resistance between the coil 3 and the metal layer 1 of the thermal converter and its small total heat capacity, the error in temperature measurements is reduced due to self-heating by the measuring current and the time it takes to establish its temperature. The design of the thermal converter ensures the fixation of the turns of the coil 3 of the sensitive element between the dielectric 2 and the electrically insulating 5 layers, which limits the movement of the turns and eliminates inter-turn electrical faults under vibration conditions and, in turn, improves the reliability of the thermal converter.

В варианте конструкции на фигуре 2 термопреобразователь сопротивления предназначен для измерения температуры жидкости, транспортируемой по трубопроводу. При этом многослойная трубка термопреобразователя с катушкой 3 чувствительного элемента устанавливается в разрыв трубопровода, и транспортируемая жидкость пропускается через нее. Выделяющаяся при протекании измерительного в катушке 3 в виде тепла мощность тока отводится через внутренний диэлектрический слой 2 в транспортируемую жидкость и через изолирующий 5 и металлический 1 слои за пределы трубки в окружающую среду.In the embodiment in figure 2, the resistance thermoconverter is designed to measure the temperature of the liquid transported through the pipeline. In this case, the multilayer tube of the thermocouple with the coil 3 of the sensing element is installed in the gap of the pipeline, and the transported fluid is passed through it. The current power released during the measurement of heat in the coil 3 in the form of heat is diverted through the inner dielectric layer 2 into the transported liquid and through the insulating 5 and metal 1 layers outside the tube into the environment.

Исследования опытного образца предлагаемой конструкции термопреобразователя с катушкой из медного провода диаметром 40 мкм и способа его изготовления показали, что способ изготовления обеспечивает выход годных термопреобразователей не менее 95%; термопреобразователи сопротивления имеют в 3-5 раз меньшее термическое сопротивление по сравнению с прототипом и соответственно меньший саморазогрев измерительным током, а также меньшее время установления температуры. Постоянная времени тепловой инерции, измеренная в нулевом термостате по уровню 0,63, составляет не более 2 секунд.Studies of the prototype of the proposed design of the thermocouple with a coil of copper wire with a diameter of 40 μm and the method of its manufacture showed that the manufacturing method provides a yield of thermocouples of at least 95%; resistance thermoconverters have 3-5 times lower thermal resistance compared to the prototype and, accordingly, less self-heating by the measuring current, as well as a shorter temperature setting time. The thermal inertia time constant measured in a zero thermostat at a level of 0.63 is no more than 2 seconds.

Claims

1. Термопреобразователь сопротивления, выполненный в виде многослойной трубки, состоящей из прилегающих друг к другу наружного металлического слоя и двух внутренних диэлектрических слоев, отличающийся тем, что на ограниченном по длине участке трубки между диэлектрическими слоями расположена однослойная катушка провода чувствительного элемента, концы которой выведены через отверстия во внутреннем диэлектрическом слое внутрь трубки для присоединения к выводам термопреобразователя.1. The resistance thermoconverter, made in the form of a multilayer tube, consisting of an outer metal layer adjacent to each other and two inner dielectric layers, characterized in that on a limited length of the tube section between the dielectric layers there is a single-layer coil of wire of the sensing element, the ends of which are led through holes in the inner dielectric layer inside the tube for connection to the terminals of the thermal converter.

2. Термопреобразователь сопротивления, выполненный в виде многослойной трубки, состоящей из прилегающих друг к другу наружного металлического слоя и двух внутренних диэлектрических слоев, отличающийся тем, что на ограниченном по длине участке трубки между диэлектрическими слоями расположена однослойная катушка провода чувствительного элемента, концы которой выведены через отверстия в металлическом и внешнем диэлектрическом слоях наружу для присоединения к выводам термопреобразователя.2. The resistance thermoconverter, made in the form of a multilayer tube, consisting of an outer metal layer adjacent to each other and two internal dielectric layers, characterized in that on a limited length of the tube section between the dielectric layers there is a single-layer coil of wire of the sensing element, the ends of which are led through openings in the metal and external dielectric layers to the outside for connection to the terminals of the thermal converter.

3. Способ изготовления термопреобразователя сопротивления, включающий намотку катушки провода на диэлектрическую трубку, отличающийся тем, что перед намоткой катушки диэлектрическую трубку удлиняют путем вытягивания вдоль продольной оси до диаметра, меньшего внутреннего диаметра металлической трубки, после намотки производят защиту провода катушки электроизолирующим слоем, диэлектрическую трубку помещают внутрь металлической трубки и производят нагрев всей конструкции до момента сжатия диэлектрической трубки до образования единого многослойного элемента. 3. A method of manufacturing a resistance thermoconverter, including winding a wire coil on a dielectric tube, characterized in that before winding the coil, the dielectric tube is extended by stretching along the longitudinal axis to a diameter smaller than the inner diameter of the metal tube, after winding, the coil wire is protected by an electrically insulating layer, the dielectric tube placed inside a metal tube and produce heating of the entire structure until the dielectric tube is compressed until a single of the sandwich element.