疏水探针——一种新型热电偶（热电阻）

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'>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'>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'>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'>热电阻)存在的问题

常规带保护套管的热电偶(热电阻'>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'>热电阻)热元件尺寸偏大，尤其是热电阻'>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'>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'>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'>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'>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'>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'>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'>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'>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'>热电阻)元件，使疏水探针具有极高的元件对外绝缘电阻RI值(常温RI≥2000MΩ，500℃时RI≥300MΩ)。

采取以上技术措施后，疏水探针获得了动态响应时间τ0.5=3.24秒的快速特性。图2是疏水探针在水浴与冰瓶中经正向(图中右)和负向(图中左)阶跃扰动下的飞升特性曲线，从曲线可知τ0.5达到了3.24秒。

2应用范围及使用方法

(1)用于疏水监控系统，可快速检测汽轮机本体、主汽管道、抽汽管道、高压缸排汽管道或旁路系统减温器后管道在工作状态下(过热蒸汽介质)突发性产生蒸汽带水、疏水和产生两相流情况的发生。用于汽轮机防进水保护、排汽与抽汽管道快速自动疏水、旁路后管道自动疏水等保护系统，可防止汽机弯轴、管道破裂等事故发生，可代替电接点疏水检测方式，取消疏水罐。

①安装方法

可将疏水探针安装在管道或容器下部积存疏水的位置，取样开孔在下管壁，插座朝下，疏水探针向上插入，必要时可在同一管道截面的上部加装一个对比热电偶(可用疏水探针或普通用热电偶)以进行对比判别。

②监控方式

·对比方式将疏水探针所测管道下部介质温度与上部介质温度在比较器模块进行比较，当二者的差值达到所整定值时进行报警和联动疏水保护。

·速率判别方式，将疏水探针所测管道下部介质温度进行速率判别，如其速率超过所整定值时，表明来水，即进行报警和联动疏水保护。

(2)用于小惯性系统的快速温度监测和需要快速测温的调节系统(例如锅炉I、II级减温器的喷水点后)

①安装方法

安装方法同常规热电偶

②使用方法

用于小惯性系统的快速温度监测须注意模拟量输入通道的滤波时间常数不宜过大，最好≤1秒。

用于快速测温的调节系统须在副环整定时按比常规热电偶采用的时间常数更小的时间常数进行整定，可获得较快的调节速度和较高的稳定性。

3结语

疏水探针由于彻底改变了常规带保护管的热电偶、热电阻'>热电阻的结构，并采取了一系列提高传热速度的措施，使其在测温过程中的动态响应速度比常规带保护管的热电偶、热电阻'>热电阻提高了20多倍，是一种测温传感器的新品种。