一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于热电偶领域，更具体地，涉及一种适用于动态法测量火焰温度的热电 偶及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 燃烧产生的火焰是伴随着化学反应、流动和传热等复杂物理化学过程的现象，温 度是其中非常重要的因素和参数。
[0003] 采用热电偶测量温度是一个非常直接有效的方法，测量通常可分为稳态法和动态 法。其中稳态法是使热电偶与被测对象及周围环境达到或接近热平衡（温度稳定），测温范 围受热电偶材质的限制，不能用于温度过高的测量场合，而且在燃烧的高温条件下，热电偶 与周围环境的辐射传热以及热电偶自身的导热会使热电偶的测量温度与实际有很大的偏 差。目前通常的做法是根据经验公式以及一些实际参数（如热电偶几何形状和发射率、环 境黑度等）对测量值进行修正，这种修正的方法基于诸多假设和估计，而且经验公式有很 大的局限性；还需要注意的是大部分火焰含有微细颗粒物，在热电偶达到热平衡的过程中 会不断沉积在热电偶表面，改变着热电偶的传热特性（如表面热阻、表面发射率），这样一 来就难以获得可靠的参数对测量误差进行修正，这些因素是稳态法测量火焰温度准确度不 高的重要原因。
[0004] 动态法是一种非稳态测温方法，只让热电偶探头在火焰中短暂停留，记录热电偶 的升温曲线，然后推算出火焰的真实温度。动态法的优点包括：（1)热电偶探头的温度可 以被控制得很低，不仅可以减少辐射损失的影响而且使测温范围不受热电偶材料熔点的限 制，能够用于测量2000-3500°C甚至更高的温度；（2)在火焰中暴露的时间短，降低了碳烟 等颗粒物在热电偶表面的沉积，保持热电偶传热特性、工作状态和性能的恒定。动态法最关 键的地方在于测量过程中能够有效控制热电偶的辐射损失和导热损失，热电偶的结构形式 对传热特性和温度响应曲线有很大的影响，传统热电偶的热电偶丝的焊接在一起形成的偶 丝结点一般呈球形，而球形的偶丝结点的热电偶又有时间常数（也叫热惯性系数）较大、不 够灵敏的缺点。因此采用合适的热电偶丝材料和结点设计对提高动态法测量的可靠性和实 用性有着重要的作用。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于动态法测量火焰 温度的热电偶及其制造方法，采用了特定形状的偶丝结点，能减小热电偶丝的导热损失，减 小结点的热惯性及温度不均匀性，减小热电偶对火焰的干扰以及火焰内颗粒在热电偶表面 的沉积，提高测温的准确度和灵敏度，以便快速准确地得到火焰温度。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶， 其特征在于：包括两根热电偶丝、偶丝结点、绝缘套管、保护套管和补偿导线，其中，
[0007] 所述的偶丝结点由所述两根热电偶丝焊接而形成，其呈圆片状，并且其前端面和 后端面相互平行；
[0008] 所述的两根热电偶丝分别为上热电偶丝和下热电偶丝，所述上热电偶丝和下热电 偶丝上下对称布置，所述上热电偶丝和下热电偶丝均呈弧形，所述上热电偶丝的弧形轴线 与下热电偶丝的弧形轴线在同一平面上，并且该平面与偶丝结点的前端面平行；
[0009] 所述上热电偶丝的弧形轴线和下热电偶丝的弧形轴线与偶丝结点接触的点分别 为上接触点和下接触点，所述上接触点的切线与下接触点的切线的夹角为30~60° ;
[0010] 所述绝缘套管侧壁的左端设置有两个进丝孔，其右端固定连接有保护套管，所述 保护套管上设置两根所述补偿导线，所述上热电偶丝和下热电偶丝分别从其中一进丝孔穿 过，然后分别与一补偿导线连接。
[0011] 优选地，所述绝缘套管的左端加工有两斜面，所述两斜面前后对称设置，并且沿着 从左至右的方向，所述两斜面的距离逐渐增大。
[0012] 优选地，所述上热电偶丝和下热电偶丝分别为热电偶的正极和负极。
[0013] 优选地，所述偶丝结点与绝缘套管之间存在间距。
[0014] 优选地，所述偶丝结点的厚度与热电偶丝的直径相等。
[0015] 优选地，该方法包括以下步骤：
[0016] 1)将两热电偶丝上下对称布置并使每根热电偶丝均呈弧形，对二者的左端进行焊 接，形成球形的偶丝结点；每根热电偶丝的弧形轴线均与球形的偶丝结点有一接触点，两接 触点的切线的夹角为30~60° ;
[0017] 2)将球形的偶丝结点冲压成圆片状，圆片状的偶丝结点的前、后端面以及两条热 电偶丝的弧形轴线所在的平面平行；
[0018] 3)在一绝缘套管侧壁的左端加工出两个进丝孔，将每根热电偶丝分别穿过一进丝 孔；
[0019] 4)将绝缘套管与一保护套管连接，在保护套管上设置两根补偿导线，将每根热电 偶丝分别与一补偿导线连接。
[0020] 优选地，步骤4)中在每根热电偶丝与补偿导线的连接处均包裹胶带进行绝缘隔 离。
[0021 ] 优选地，所述保护套管内灌封环氧树脂胶，以固定两热电偶丝和两补偿导线。
[0022] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0023] 1)本发明采用圆片状的偶丝结点，显著增大了偶丝结点的对流换热面积，具有降 低热电偶丝导热损失误差的好处；
[0024] 2)本发明采用圆片状的偶丝结点，这种薄片状结构能够降低偶丝结点的热惯性， 减少结点表面和中心的温度差，具有提高热电偶测量准确度和灵敏度的好处；
[0025] 3)圆片状的偶丝结点热电偶在插入火焰后，升温速度较球形的偶丝结点快，能够 缩短所需要的测温时间，减少火焰内颗粒在热电偶表面的沉积，进而降低因颗粒沉积而引 起的测温误差（如颗粒沉积引起的热电偶结点增大、热阻增加和发射率增大等）；
[0026] 4)圆片状偶丝结点在插入被测流体时，有较小的截流面积，对被测流体的流场干 扰较小，对流体流动的阻力也较小；
[0027] 5)本发明将绝缘套管靠近热电偶结点的一端加工了两斜面，能够减少热电偶快速 插入火焰时对火焰的干扰；
[0028] 6)本发明通过对具有圆片状的偶丝结点的温度进行短时间的快速采集，对温度曲 线进行一阶动态方程拟合，不需要采用导热损失和辐射损失的修正就能够得到准确度较高 的火焰温度值。
【附图说明】
[0029] 图1(a)~图1(b)是本发明球形的偶丝结点加工成圆片状的加工示意图；
[0030]图2 (a)、图2 (b)和图2 (c)分别是本发明中绝缘套管的主视图、俯视图和左视图；
[0031] 图3是本发明的结构示意图；
[0032]图4是协流扩散火焰燃烧器的结构示意图；
[0033] 图5是热电偶在测量火焰温度时结点传热分析图；
[0034] 图6是火焰温度与普通热电偶动态法测量的温度以及计算机CFD模拟温度的对 比。
[0035] 图中，1-偶丝结点，2-1-上热电偶丝，2-2-下热电偶丝，3-绝缘套管，4-保护套管， 5_补偿导线。
【具体实施方式】
[0036] 参照图1~图6,一种适用于动态法测量火焰温度的热电偶，包括两根热电偶丝、 偶丝结点1、绝缘套管3、保护套管4和补偿导线，所述的偶丝结点1由两根热电偶丝焊接而 形成，所述的偶丝结点1呈圆片状，所述偶丝结点1的前端面和后端面相互平行；
[0037] 所述的两根热电偶丝分别为上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2,所述上热电偶丝 和下热电偶丝分别为热电偶的正极和负极。所述上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2上下对 称布置，所述上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2均呈弧形，所述上热电偶丝2-1的弧形轴线 与下热电偶丝2-2的弧形轴线在同一平面上，并且该平面与偶丝结点1的前端面平行；
[0038] 所述上热电偶丝2-1的弧形轴线和下热电偶丝2-2的弧形轴线与偶丝结点1接触 的点分别为上接触点和下接触点，所述上接触点的切线与下接触点的切线的夹角为30~ 60。。
[0039] 所述绝缘套管3侧壁的左端设置有两个进丝孔，其右端固定连接有保护套管4,所 述保护套管上设置两根补偿导线5,所述上热电偶丝2-1和下热电偶丝2-2分别穿过两个 进丝孔，然后分别与两补偿导线5连接。优选地，所述偶丝结点1与绝缘套管3之间存在间 距，这样可以防止绝缘套管3影响偶丝结点1的传热特性。
[0040] 进一步，所述绝缘套管3的左端加工有两斜面，所述两斜面前后对称设置，并且沿 着从左至右的方向，所述两斜面的距离逐渐增大；绝缘套管3对热电偶丝起支持、保护和绝 缘的作用；加工出的楔形端能够减少热电偶快速插入火焰时对火焰的干扰。
[0041] 进一步，所述偶丝结点1的厚度与热电偶丝的直径相等，这样的好处是保证热电 偶具有最优的综合性能，在不损伤热电偶丝的前提下最大限度地提高结点的比表面积。[0042] 测量火焰温度时，调整圆片状的偶丝结点1的圆面，使圆面与火焰流向平行，热电 偶的保护套管4固定在三维平移台上，热电偶的补偿导线5连接到温度采集模块，并与安装 有相应数据采集软件的微型计算机通信，然后通过三维平移台将偶丝结点1快速地送到火 焰内的指定位置，同时计算机记录下