CN114689192A - 具有改进的响应时间的温度探针 - Google Patents
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Abstract
温度探针包括护套、温度敏感元件和插入件。护套具有限定内部空间的侧壁。温度敏感元件设置在侧壁的内部空间内并且具有随温度变化的电特性。由碳化硅形成的插入件可操作地插入在侧壁和温度敏感元件之间。还提供了一种制造温度探针的方法。还提供了一种采用温度探针的温度感测系统。
Description
技术领域
本公开涉及温度探针，具体地涉及具有改进的响应时间的温度探针。
背景技术
温度探针用于各种工业和环境，以提供物质或表面(例如在过程流体导管(例如管道)中流动的过程流体)的温度的指示。温度探针通常包括外护套，该外护套由金属、陶瓷或玻璃形成，并且保护位于护套内的温度敏感元件避免受冲击并避免暴露于过程流体等。诸如氧化镁(MgO)或陶瓷(例如氧化铝–Al2O3)等的非导电粉末通常用于填充在护套的内表面和温度敏感元件之间的空间。
温度探针具有多种设计考虑因素，必须考虑这些因素以适用于特定应用。这些考虑因素包括精度、热工作范围和响应时间。快速响应时间是许多高精度工业(例如制药、食品和饮料生产、以及货物运输监护)中的非常重要的考虑因素。提供具有改进的响应时间的温度探针将允许在更多应用中使用这种温度探针，尤其是需要快速响应时间的应用。
发明内容
温度探针包括护套、温度敏感元件和插入件。护套具有限定内部空间的侧壁。温度敏感元件设置在侧壁的内部空间内并且具有随温度变化的电特性。由碳化硅形成的插入件可操作地插入在侧壁和温度敏感元件之间。还提供了一种制造温度探针的方法。还提供了一种采用温度探针的温度感测系统。
附图说明
图1是根据现有技术的基于RTD的温度探针的一部分的示意图。
图2A和图2B是根据现有技术的基于RTD的温度探针的部分的示意性截面图。
图3是根据本发明的实施例的用于基于RTD的温度探针的热插入件的示意透视图。
图4是根据本发明的实施例的设置在不锈钢护套内的热插入件的示意图。
图5是根据本发明的实施例的基于RTD的温度探针的示意图。
图6A和图6B是根据本发明的实施例的基于RTD的温度探针的部分的示意性截面图。
图7是根据本发明的实施例的制造基于RTD的温度探针的方法的流程图。
图8是根据本发明的实施例的应用于套管的热插入件的示意图。
具体实施方式
图1是根据现有技术的基于RTD的温度探针的一部分的示意图。探针100通常包括设置在具有金属端部106的金属护套104内的RTD元件102。侧壁108和端部106一起形成温度探针100的端部组件。端部组件在焊缝112处焊接到或以其他方式耦接到护套侧壁110。诸如氧化镁(MgO)之类的绝缘粉末设置在护套104内并且通常保持RTD元件102在护套104内的位置。RTD元件102可以根据任何合适的RTD元件形成工艺形成，例如薄膜技术或绕线技术。在任一情况下，提供由金属形成的电路，该金属具有通常响应于温度变化而变化的电阻。这种金属的示例包括铂、铜和镍。两个或更多个导体116、118延伸穿过绝缘粉末114并将元件102耦接到适当的测量电路(未示出)。
图2A和图2B是根据现有技术的基于RTD的温度探针的截面图。如图2A所示，矩形RTD元件120位于护套104内的MgO粉末114内。矩形RTD元件120可以根据薄膜沉积技术形成，其中金属被溅射或以其他方式沉积在诸如硅之类的非导电衬底上。在图2B中，圆形绕线RTD传感器元件122定位在护套104内的MgO粉末114内。在每一情况下，为了检测来自护套104外部的表面或环境的温度，热能必须流过金属护套104(该金属护套104可以由不锈钢或因科镍(Inconel)合金制成)，并且流过MgO粉末114以使RTD元件产生可检测的温度变化。可以理解，热能可以根据温度变化是更热还是更冷而沿任一方向流动。无论哪种情况，热能传递所需的时间将影响RTD的响应时间。如图2A和图2B所示，MgO粉末的热导(thermalconductance)约为18W/C。可以认为，MgO粉末的热导加上热量必须流过粉末的距离，通过设置具有比MgO粉末的热导率更高的热导率的绝缘结构，来提供改善热响应特性(即，减少响应时间)的机会。
图3是根据本发明的实施例的用于温度探针的碳化硅插入件的示意图。碳化硅插入件200通常具有圆柱形形状202，该圆柱形形状的外直径的尺寸被设计为适配在不锈钢护套104(如图1所示)的内直径内。此外，插入件200还包括内孔204，该内孔的尺寸被设计为接收温度敏感元件(例如RTD传感器元件)，该温度敏感元件由附图标记120或122示意性地指示(图2A和图2B中所示)。温度敏感元件具有随温度变化的电特性。在RTD的情况下，特性是电阻，而在热电偶的情况下，特性是电压。当使用薄膜RTD传感器元件(例如方形薄膜元件120)时，插入件200的孔204的尺寸被设计为外接(circumscribe)传感器120的方形形状。类似地，当使用绕线RTD传感器元件122时，孔204的尺寸被设计为使得绕线RTD传感器122的外直径将穿过插入件200的内孔204。
图4是根据本发明的实施例的设置在不锈钢护套104内的碳化硅插入件200的示意图。在护套10的结构中，由端盖106界定的端盖部分通常在焊缝112处焊接到圆柱形侧壁110。这是护套中潜在的弱势区域。根据本发明的一方面，插入件200从端盖106延伸到超过焊缝112的位置。以此方式，碳化物插入件200的刚性还为焊缝112位置处的温度探针提供强度。这提供了更稳健的结构，因为焊缝112有时是现有技术设备中磨损或破损的源头。
图5是根据本发明的实施例的基于RTD的温度探针的示意图。薄膜RTD传感器元件120设置在碳化硅插入件200的孔204内。此外，在碳化硅插入件200的内直径204和薄膜RTD传感器元件120的外表面205之间设置一定量的MgO粉末114。此外，附加的MgO粉末114定位在RTD传感器元件120下方并支撑端盖106上方的RTD传感器元件120的下表面220。
选择碳化硅用于插入件200的材料是基于对各种设计约束的仔细平衡。温度探针内的材料必须能够承受相当高的温度，不得与护套材料形成原电池，并且必须能够承受相当大的热冲击和机械冲击。此外，这样的材料必须能够在价格上被使用，使得能够保持整体设计的经济可行性。碳化硅满足诸如温度探针等所需的严格材料性质要求，并提供200W/m*K的热导率，该热导率远远超过RTD探针结构中常用的材料的热导率。相比之下，MgO粉末的热导率为60W/m*K。在20摄氏度时，MgO粉末的比热为0.880J/g*K，电阻率大于1014ohms*Cm。MgO粉末的密度也约为3.6grams/cm3。相比之下，在20摄氏度时，碳化硅的热导率为200W/m*K，比热为0.67J/g*K，电阻率为108ohms*Cm。碳化硅的密度为3.2grams/cm3。
在对响应时间比较的以下分析中，下面列出的公式1-3是有用的。
在公式1中，Q表示在温度差为t2-t1的情况下通过总热阻Rtotal的热流。
在公式2中，Rcylinder是通过具有内半径r1和外半径r2的圆柱体壁的热阻，其中L是圆柱体的长度，k是材料的热导率。
公式3定义了总热导(total conductance)Ctotal和总热阻Rtotal的倒数。
对于热流比较，在现有技术中，来自环境的热量通常流过护套的热阻，然后流过MgO粉末的热阻进入RTD传感器元件。对于采用薄膜RTD传感器元件的本发明的实施例，热流通过护套，通过碳化硅插入件，并通过碳化硅插入件的内孔与薄膜传感器之间的相对少量的MgO粉末。
对于本发明的绕线传感器实施例，通过现有技术MgO的热流被直接通过碳化硅插入物的热流简单地替换。
为了比较起见，使用特定的原型和尺寸来说明在热流和响应时间方面的差异。在以下实施例中，使用外直径为5.95mm、内直径为5.35mm、长度为28mm的不锈钢护套。这提供了为0.0403C/W的通过护套的热阻Rsheath。
为了比较薄膜实施例，现有技术的MgO粉末也具有5.35mm的外直径和3.0mm的内直径以及28mm的长度，热阻为0.0548C/W。相比之下，具有完全相同尺寸的碳化硅插入件的热阻为0.0164C/W，或者换句话说，热导为60.7934。这使总体热阻降低了70％。
使用内直径为3.0mm的硅插入件仍需要少量MgO粉末来填充矩形传感器元件和硅插入件的内直径之间的空间。该MgO的外直径与插入件的内直径(3.0mm)相同，MgO的内直径为2.95mm。这产生了0.0016C/W的MgO热阻，该MgO热阻被添加到碳化硅插入件的热阻(0.0164C/W)和Rsheath(0.0403)，提供了0.0583C/W的总热阻Rtotal。如图6A所示，这与仅使用MgO粉末且不使用碳化硅插入件的基于薄膜的RTD传感器相比减少了38.67％。
比较绕线实施例，由碳化硅插入物提供的改进更加显著。使用外直径为5.95mm、内直径为5.35mm和长度为47mm的护套。该护套的热阻为0.0240C/W。外直径为5.35mm、内直径为2.60mm和长度为47mm的MgO粉末提供0.0407C/W的热阻。因此，现有技术系统的总热阻为0.0647C/W。当使用与MgO粉末的尺寸相同的碳化硅插入件时，插入件的热阻为0.0122C/W，总热阻为0.0362C/W。如图6B所示，这使Rtotal降低了44.05％。本发明的实施例的这些热阻降低为整个基于RTD的温度探针提供了更快的响应时间。
碳化硅由碳原子和硅原子的四面体组成，在晶格中具有强键。这产生了非常坚硬和坚固的材料。碳化硅在高达800℃的温度下不受任何酸、碱或熔盐的侵蚀。在空气中，碳化硅在1200℃形成保护性氧化硅涂层，并且能够在高达1600℃下使用。高热导率加上低热膨胀和高强度使这种材料具有卓越的抗热震性能。具有很少或没有晶界杂质的碳化硅陶瓷在接近1600℃的非常高的温度下仍能保持其强度而不会损失强度。化学纯度、在温度下的耐化学侵蚀性以及在高温下的强度保持性使这种材料在用作半导体炉中的晶片托盘支撑和桨状物时非常受欢迎。该材料的导电性使其可用于电炉的电阻加热元件，并且可用作热敏电阻和压敏电阻的关键部件。
返回图5，碳化硅插入件200通常被压入温度探针的热端护套中。插入件200的外直径与探针护套的内直径相匹配，并且碳化硅插入件的内直径的尺寸被设计为略大于传感器元件(薄膜或绕线)。对于薄膜元件，剩余的体积填充有MgO粉末，以将感测元件固定在组件的中心。在一些实施例中，可以选择固体坯料，使得有机会相对于每个单独元件的几何形状定制容器(pocket)。这种定制可以在制造过程的后期实施。这将使制造能够收集废弃的MgO粉末并将其重新用于填充腔体。此外，如果使用固体插入件，它可以与逆止器或盲孔一起使用，以提高元件放置的一致性和可重复性。在安装RTD元件之后，在剩余空隙中设置MgO(标准氧化镁粉)可以实现热连续性和刚性内部结构。MgO还将补偿感测元件的任何几何变化。
图7是根据本发明的实施例的制造基于RTD的温度探针的方法的流程图。方法300开始于框302，在框302中护套的端部被设置。如图1所示，端部具有端盖106。接下来，在框304处，碳化硅插入件被压入护套内或以其他方式定位在护套内。在一个实施例中，碳化硅插入件的长度被选择为从护套的端盖延伸到超过护套中的任何端盖/侧壁焊缝的位置。接下来，在框306处，RTD元件或坯料被设置在碳化硅插入件内。如图7所示，RTD元件可以是薄膜元件308或绕线元件310，或者形状和尺寸被设计为类似于元件308/310之一的合适的固体坯料。在采用薄膜传感器310的实施例中，在框312处设置MgO粉末以填充碳化硅插入件的内直径与薄膜RTD传感器元件的外表面之间的区域。
虽然本发明的实施例特别适用于在传统不锈钢护套内设置碳化硅插入件，但是考虑到碳化硅插入件的强度，还明确预期能够减小不锈钢或其他合适金属的壁厚，从而进一步减少温度探针的响应时间。
虽然本发明的实施例已经针对温度探针进行了描述，但实施例也可以用于改进套管的热导率和响应时间。这可以通过在套管底部用碳化硅插入件替换套管的材料部分并实施插入探针外直径的想法来实现。
图8是根据本发明的实施例的应用于套管的热插入件的示意图。套管系统400包括套管402，套管402具有延伸到过程流体导管或其他合适结构中以测量温度的远侧部分404。远侧部分通常是圆柱形并且具有能够接收温度探针组件408(例如图1中所示的现有技术探针组件，或本文所述的基于碳化硅的布置)的内部。根据本发明的另一方面，套管402的远侧部分404还可以包括碳化硅插入件406以进一步减少套管系统400的响应时间。
此外，本文描述的实施例也可以被实施用于卫生传感器，该卫生传感器在传感器的尖端的端部处具有类似的插入件传感器放置。此外，可以以最小的代价提供对传统传感器的改进，并且这些改进可以与大量传感器配置和元件一起使用。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出修改。例如，虽然一般针对RTD描述了实施例，但是本文描述的实施例适用于任何类型的温度敏感元件，包括但不限于热电偶、热敏电阻和基于半导体的集成电路。
Claims (25)
1.一种温度探针，包括：
护套，具有限定内部空间的侧壁；
温度敏感元件，设置在所述侧壁的所述内部空间内，所述温度敏感元件具有随温度变化的电特性；以及
插入件，可操作地插入在所述侧壁和所述温度敏感元件之间，所述插入件由碳化硅形成。
2.根据权利要求1所述的温度探针，其中，所述温度敏感元件是热电偶。
3.根据权利要求1所述的温度探针，其中，所述温度敏感元件是RTD元件。
4.根据权利要求3所述的温度探针，其中，所述插入件具有圆柱形形状，并且所述插入件的外直径定位成与所述护套的侧壁的内直径相邻。
5.根据权利要求4所述的温度探针，其中，所述RTD元件是具有圆柱形形状的绕线RTD元件，并且所述绕线RTD元件的外直径靠近所述插入件的内直径设置。
6.根据权利要求4所述的温度探针，其中，所述RTD元件是具有矩形形状的薄膜RTD元件，其中，所述薄膜RTD元件设置在所述插入件的内直径内。
7.根据权利要求6所述的温度探针，还包括绝缘粉末，所述绝缘粉末设置在所述插入件的内直径和所述薄膜RTD元件的矩形表面之间的空间中。
8.根据权利要求7所述的温度探针，其中，所述绝缘粉末将所述薄膜RTD元件与所述护套的远端隔开。
9.根据权利要求4所述的温度探针，其中，所述护套包括焊接到所述侧壁的端盖部分，并且其中所述插入件的长度大于从所述护套的远端到焊缝的距离。
10.根据权利要求1所述的温度探针，其中，所述护套由金属形成。
11.一种制造温度探针的方法，所述方法包括：
设置金属护套的端部；
将碳化硅插入件定位在所述金属护套内，所述碳化硅插入件具有至少部分地延伸穿过其中的孔；以及
将温度敏感元件插入所述碳化硅插入件的孔中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，定位所述碳化硅插入件是将所述碳化硅插入件压入所述金属护套中。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述温度敏感元件是绕线RTD元件。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述温度敏感元件是薄膜RTD元件。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括用绝缘粉末填充所述薄膜RTD元件的矩形形状与所述插入件的孔的内直径之间的空间。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述绝缘粉末是氧化镁MgO粉末。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述温度敏感元件是固体坯料。
18.一种温度测量系统，包括：
套管，具有远端和从所述远端延伸的圆柱形侧壁；
温度探针，设置在所述套管内；以及
碳化硅插入件，定位在所述套管内并围绕所述温度探针设置。
19.根据权利要求18所述的温度测量系统，其中，所述温度探针是RTD温度探针。
20.根据权利要求19所述的温度测量系统，其中，所述温度探针包括：
护套，具有限定内部空间的侧壁；
RTD元件，设置在所述侧壁的所述内部空间内，所述RTD元件具有随温度变化的电阻；以及
插入件，可操作地插入在所述侧壁和所述RTD元件之间，所述插入件由碳化硅形成。
21.根据权利要求20所述的温度测量系统，其中，所述RTD元件是薄膜RTD元件。
22.根据权利要求21所述的温度测量系统，还包括绝缘粉末，所述绝缘粉末设置在所述薄膜RTD元件的矩形表面与所述碳化硅插入件的内直径之间的空间中。
23.根据权利要求20所述的温度测量系统，其中，所述RTD元件是绕线RTD元件。
24.根据权利要求18所述的温度测量系统，其中，所述温度探针是热电偶探针。
25.根据权利要求18所述的温度测量系统，其中，所述温度探针的端盖设置为与所述套管的远端接触。
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