疏水探针―― 一种新型热电偶（热电阻）

电力18讯：    摘要：介绍了疏水探针及其独特的动态特性，比较了疏水探针与常规带保护套管的热电偶（热电阻）的不同之处，举出了疏水探针的特殊用途和使用方法，为快速进行高温高压流体介质温度检测提供了新途径。关键词：疏水探针；动态特性。



疏水探针属于带保护管型二次复合全铠装热电偶（热电阻），由于其动态特性特别好，可用于高温高压的压力容器及管道上进行流体介质的快速温度测量。虽然它的热元件（偶丝或热电阻元件）对外壳（保护管或铠体）是绝缘的，但它的响应速度却达到了极高（τ0.5=3.24秒）的程度，因此它的诞生解决了困扰人们多年的难题，在需要快速测温的系统应用中可得到十分理想的效果。



1背景技术



1.1常规热电偶（热电阻）存在的问题



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，有时还接触不良，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）由于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。



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%、90%所经历的时间τ0.1、τ0.5、τ0.9、一般常规带保护管的装配式热电偶的τ0.5、约为60―120秒。



1.2改善带保护管的热电偶（热电阻）动态特性的常规措施和存在的问题。



（1）多年来人们为改善热电偶（热电阻）的动态特性做了不少努力，采取了以下措施，也得了一定效果，但因为要求元件与外壳（地）绝缘，所以始终未能达到理想效果。



①在改善传热方面：尽量减小空气隙或以固体绝缘材料代替空气隙，如不用偶丝穿瓷管等装配式结构（WRN系列），采用铠装热元件（WRNK系列），既达到了绝缘目的，又减小了传热过程中的空气隙。图1是采用装配式元件与采用铠装元件的带保护管的热电偶从冰点向沸点的阶跃扰动件的带保护管的热电偶从冰点向沸点的阶跃扰动实录曲线，从图中可知前者的、τ0.5为90秒，后者为70.8秒。



②采取加弹簧压紧的方法，使热元件与套管端部接触可靠；采用面接触方式增大传热面积的方法。如：套管端部内孔与铠装热元件外径配合安装使接触面呈柱面或将热元件端部与套管端部加工成圆锥，使接触面增大，均能取得一定效果。如WRNK―的τ0.5为51秒。



③在减小热容量方面：采用将保护管端部加工成小直径圆柱的方式及尽量采用小尺寸元件，如用细的偶丝以及用微型薄膜热电阻等。综合采用上述的措施后，目前国内最好的高温高压带保护管的热电偶（热电阻）的τ0.5可达到30秒以下。



（2）热接点接地的方式



采用热接点直接接触保护管尖端或干脆把热接点与保护管端部焊到一起的方法，这种方法可以使动态特性达到较理想程度，但却带来一个致命的问题，即热元件必须接地。



由于热元件接地使一般监控系统造成两点接地，使系统干扰大幅度增加，模拟指示表漂摆，数显表乱跳字，尤其是计算机监控系统，元件接地有时使系统根本不能工作，严重时会造成I/O（输入/输出）模件损坏，所以，这种结构目前极少采用。



1.3疏水探针改善带保护管热电偶（热电阻）动态特性的技术措施



（1）将保护套管端部金属与热元件（铠装型）铠体合二而一，减少了从被测介质向热元件敏感区热端传热过程的环节。



（2）采用全铠装结构使保护管尖端金属向元件热端传热完全取消了空气隙，仅剩一层致密的Mgo固体绝缘层，这样大幅度地降低了传热热阻。



（3）采用小热容量元件（细偶丝或微型薄膜热电阻元件）使热惯性降至较低水平。



疏水探针的保护管采用耐热合金材料（ICr18Ni9Ti）使本身具有耐高温性能；采用特殊焊接和压合技术，使整个热电偶（热电阻）具有承受高压（≥40MPa）的能力；采用优质全铠装热电偶（热电阻）元<