具有改进的响应时间的温度探针制造技术

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。的温度感测系统。的温度感测系统。

【技术实现步骤摘要】
具有改进的响应时间的温度探针


[0001]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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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
[0005]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。
[0006]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。
[0007]图3是根据本专利技术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。
[0008]图4是根据本专利技术的实施例的设置在不锈钢护套内的热插入件的示意图。
[0009]图5是根据本专利技术的实施例的基于RTD的温度探针的示意图。
[0010]图6A和图6B是根据本专利技术的实施例的基于RTD的温度探针的部分的示意性截面图。
[0011]图7是根据本专利技术的实施例的制造基于RTD的温度探针的方法的流程图。
[0012]图8是根据本专利技术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
[0013]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)。
[0014]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(thermal conductance)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。
[0015]图3是根据本专利技术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。
[0016]图4是根据本专利技术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。根据本专利技术的一方面，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。
[0017]图5是根据本专利技术的实施例的基于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。
[0018]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10
14
ohms*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。
[0019]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。
[0020][0021]在公式1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰克，
申请(专利权)人：罗斯蒙特公司，
类型：发明
国别省市：