提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法及装置与流程

技术领域：

本发明涉及温度参数的实时测量领域，尤其涉及一种基于热电偶原理的耐高温航天温度传感器的快速测量方法和装置。

背景技术：
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温度是表征物体冷热程度的物理量，是航空、航天、宇航飞行器产品等高端军事装备工作过程中最为普遍而又重点关注的一种测量参数。温度参数的测量功能一般由各种类型的温度传感器实现，温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。根据材料和电子元器件特性的不同，温度传感器可分为热电阻和热电偶两类。其中热电偶类温度传感器在高温（如1000℃以上）温度测量中具有不可替代的优势。

近年来，随着我国军事装备现代化的快速发展，对火箭及导弹火焰喷射温度、弹头侵彻温度等瞬态温度变化这种特殊环境下的温度测量提出了越来越高的要求，要求温度传感器能对被测温度场的快速变化作出实时响应。传统热电偶传感器由于受绝缘要求、机械保护等因素制约，在结构设计时进行了一些特殊的封装处理，导致结构形态远大于热电偶丝本体尺寸，同时严重影响了热电偶丝快速感温能力。为说明其中的影响程度,提供部分试验数据如下：热电偶裸丝的热响应时间（一般以τ0.9衡量，以被测温度1000℃为例，当温度传感器从常温条件，放入该温度场开始计时，至温度传感器输出900℃测值时为止，所得的计时长度值为该传感器的τ0.9）通常τ0.9小于1秒，但当对热电偶裸丝采取了绝缘、结构保护等设计措施之后，τ0.9会达到10秒甚至100秒。但若是不采取绝缘、保护措施的话，热电偶裸丝的可靠性又难以得到保证，要解决这对矛盾，技术实现难度非常高。

现有的温度传感器由保护性结构体、热电偶丝、感温接合部组成。热电偶丝是温度传感器的敏感材料，由两种材质金属材料组成。感温接合部是温度传感器的感温触点，与被测温度接触，应能直接传递被测温度值；也是热电偶温度传感器电路的其中一个端点（热端），热电偶电路的另一端称作冷端，热端与冷端之间若存在温度差δt，就会在冷端的a、b两点产生一个与δt成线性关系的mv数量级的电压值，通过测量电压值就能获得温度δt的测值，这就是赛贝克(seeback)效应。由于热电偶丝的材质比较脆，实际使用过程中容易损坏，所以会加上保护性结构体。保护性结构体的存在影响了热传递效果，导致热电偶丝在温度响应指标上的严重滞后。以被测温度500℃为例，将传统的温度传感器由常温状态放置进入被测温度场，开始计时，当温度传感器的输出达到450℃（τ0.9）时，可能需要80秒的时间，快速响应能力根本满足不了实际使用要求。

技术实现要素：
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本发明是为了解决现有技术的不足，而提供一种基于热电偶原理的耐高温航天温度传感器的快速测量方法和装置，具体由以下技术方案实现：

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法为：在柱形的保护性结构体的一端面上开设一个浅孔，并在保护性结构体内沿轴向开设两个与所述浅孔连通的通孔，将热电偶丝的感温接合部设置于浅孔内，形成热电偶丝的热端，将热电偶丝的两端分别经通孔伸出保护性结构体，形成热电偶丝的冷端，并在通孔内填充固态隔热材料。

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法的进一步设计在于，所述固态隔热材料为耐高温隔热胶或耐高温隔热纳米复合陶瓷或耐高温绝缘套管或石英纤维。

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法的进一步设计在于，所述保护性结构体呈柱状，所述两个通孔分别位于保护性结构体的一侧，所述热电偶丝穿接于两通孔与浅孔形成u形，所述热电偶丝的热端位于u形的底部。

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法的进一步设计在于，将对应于感温接合部的热电偶丝部分设置成曲线形。

采用所述的提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法的装置,该装置包括热电偶丝、保护性结构体以及感温接合部，所述热电偶丝封装于保护性结构体内，位于保护性结构体一端面的热电偶丝形成所述感温接合部，位于另一端面的热电偶丝为冷端，其特征在于所述保护性结构体对应于热端的端面上开设有一个浅孔，保护性结构体上还开设有两个与所述浅孔相连通的通孔，所述热电偶丝穿接于所述通孔、浅孔中，使感温接合部置于浅孔中，热电偶丝的冷端经通孔伸出保护性结构体，通孔内填充有固态隔热材料。

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的装置的进一步设计在于，固态隔热材料采用耐高温隔热胶或耐高温隔热纳米复合陶瓷或耐高温绝缘套管或石英纤维。

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的装置的进一步设计在于，所述保护性结构体呈圆柱状，所述两个通孔平行地开设于保护性结构体内的两侧。

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的装置的进一步设计在于，所述热电偶丝呈基本u形地布置于保护性结构体内，感温接合部位于热电偶丝的u形底部。

所述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的装置的进一步设计在于，所述感温接合部的热电偶丝呈曲线形。

本发明的有益效果：

本发明的基于热电偶原理的耐高温航天温度传感器的快速测量方法和装置一来将热电偶感温测部（热电偶丝热端）通过在保护性结构体对应端面上钻孔实现与外界联通并通过热电偶丝的曲线型设计尽可能增大感温面积。再者在热电偶丝穿线孔处填充隔热材料，减少热电偶丝载体材料背景散热。通过上述两项措施，增大感温面积和减少热电偶丝载体材料背景散热，使热电偶感温测点表面温度迅速达到被测温度值，从而实现快速测温的目的。本发明可以使热电偶传感器的测温响应速度由原来的分钟级提升为秒级，提高了1个数量级，产生明显的效果。另一方面，在在保护性结构体对应端面上钻孔尽可能减少热电偶丝与保护性结构体接触面积，也能减少热传导损失增加装置的感应精度。

附图说明：

图1热电偶温度传感器原理性结构组成图。

图2热电偶温度传感器感温部分断面图。

图3热电偶丝穿线孔填充隔热材料示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1，本实施例的提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法，该方法为：在柱形的保护性结构体1的一端面上开设一个浅孔13，并在保护性结构体1内沿轴向开设两个与浅孔连通的通孔11。将热电偶丝2的感温接合部21设置于浅孔内，形成热电偶丝的热端。将热电偶丝的两端分别经通孔伸出保护性结构体1，形成热电偶丝的冷端，并在通孔内填充固态隔热材料12。

本实施例的固态隔热材料为耐高温隔热胶或耐高温隔热纳米复合陶瓷或耐高温绝缘套管或石英纤维材料等。本实施例采用最优的方案即固态隔热材料为耐高温隔热胶。

在通孔内填充固态隔热材料，是为了减少热电偶丝载体材料背景散热。保护性结构体内的其它结构封装方式按常规热电偶温度传感器制备工艺进行封装。

进一步的，本实施例中的保护性结构体呈圆柱状。两个通孔分别位于保护性结构体的一侧，孔径d为1.5～2倍热电偶丝外径。热电偶丝穿接于两通孔以及浅孔内形成u形，热电偶丝的感温接合部位于u形的底部。

为增大热电偶丝与被测温度场的接触面积，将热电偶丝的感温接合部设置成曲线形。本实施例采用最为优选的技术方案，将将热电偶丝的感温接合部设计成了波浪形，参见图2。

采用上述提升热电偶温度传感器实时测温响应能力的方法的装置,该装置主要由热电偶丝2、保护性结构体1以及感温接合部21组成。热电偶丝2封装于保护性结构体1内，位于保护性结构体1一端面的热电偶丝形成所述感温接合部21，位于另一端面的热电偶丝为冷端。本发明技术方案中的保护性结构体1对应于热端的端面上开设有一个浅孔13，保护性结构体1上还开设有两个与所述浅孔13相连通的通孔11。热电偶丝2穿接于通孔11与浅孔13中。使感温接合部置于浅孔13中，热电偶丝2的冷端经通孔11伸出保护性结构体1，通孔11内填充有固态隔热材料12。

本实施例中的固态隔热材料采用耐高温隔热胶或耐高温隔热纳米复合陶瓷或耐高温绝缘套管、石英纤维材料等。本实施例采用最优的方案即固态隔热材料为耐高温隔热胶。

本实施例中，保护性结构体呈圆柱状，通孔为两个且平行地开设于保护性结构体内的两侧。另一方面，为了对热电偶丝进行更好的封装，可以在浅孔上加盖一个带有通孔的封盖或筛网（图中未示出）。

如图3，热电偶丝呈基本u形地布置于保护性结构体内，感温接合部位于热电偶丝的u形底部。为增大热电偶丝与被测温度场的接触面积，感温接合部的热电偶丝22设计成曲线形，如波浪形，参见图3。

本实施例的基于热电偶原理的耐高温航天温度传感器的快速测量方法和装置一来将热电偶感温测部，即热电偶丝热端，通过在保护性结构体对应端面上钻孔实现与外界联通并通过热电偶丝的曲线型设计尽可能增大感温面积。再者在热电偶丝穿线孔处填充隔热材料，减少热电偶丝载体材料背景散热。通过上述两项措施，增大感温面积和减少热电偶丝载体材料背景散热，使热电偶感温测点表面温度迅速达到被测温度值，从而实现快速测温的目的。另一方面，在在保护性结构体对应端面上钻孔尽可能减少热电偶丝与保护性结构体接触面积，也能减少热传导损失增加装置的感应精度。

经实践本实施例的基于热电偶原理的耐高温航天温度传感器能够使热电偶感温测点表面温度迅速达到被测温度值，从而实现快速测温的目的。本发明可以使热电偶传感器的测温响应速度由原来的分钟级（80s）提升为秒级（小于6s），提高了1个数量级，产生明显的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。