專利名稱：具有快速響應(yīng)時(shí)間的溫度探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度探測器，尤其是那些測量相對其流動的流體溫度的溫度探測器。
在本發(fā)明中，溫度探測器包括一個(gè)或多個(gè)葉片，該葉片大致沿著傳感器的整個(gè)每感長度與該傳感器熱耦合。設(shè)置該葉片，是為了增強(qiáng)傳感器與相對于探測器流動的流體間的對流換熱，并促進(jìn)流體的層流。該探測器還包括帶腔的外殼，該腔具有腔軸;該外殼輸送至少一部分沿腔軸流動的流體。葉片設(shè)在腔中，在一較佳實(shí)施例中與一管連接，而傳感器就位于該管中。葉片通過增大傳感器的有效表面積/質(zhì)量比來增強(qiáng)對流換熱，從而加快傳感器對瞬變流動狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間。在一較佳實(shí)施例中，葉片沿葉片內(nèi)邊附到管上并有與葉片的內(nèi)緣成銳角的葉片后緣。


圖1是本發(fā)明的溫度探測器的部分剖視側(cè)視圖;
圖2是圖1的溫度探測器子組件的部分剖視立體圖;
圖3是本發(fā)明的溫度探測器子組件的另一實(shí)施例的一部分的部分剖視側(cè)視圖。
圖4是沿圖2中4-4線取的端視圖;
圖5是沿圖3中5-5線取的端視圖;
圖6是圖1的溫度探測器的另一實(shí)施例的示圖。
在圖1中，溫度探測器10測量由12總括表示的流體的溫度。最好，探測器10裝在航空遠(yuǎn)載器上并測量空氣的溫度。探測器10包括外殼14，該外殼有一個(gè)大體上為圓柱形并沿著腔軸18-18對中的腔16。流體進(jìn)入外殼14上的開口20，然后至少一部分流體大致沿箭頭22進(jìn)入腔16。另一部分流體，連同可能會有的雜質(zhì)(如水滴)經(jīng)孔24通過外殼。還有一部分流體流過眼26，以減小不希望的邊界層效應(yīng)。用于本發(fā)明的較佳外殼的這種及其他種形狀在美國專利2，970，475中進(jìn)行了披露;該專利在此被引作對比文件。
流體12在其速度被外殼14減小時(shí)，經(jīng)歷了絕熱加熱。加熱的流體至少部分地沿腔軸18流入腔16中，并遇到包括與傳感器30相熱耦合的葉片28的探測器子組件50。探測器子組件50最好還包括管32和輻射罩34。在本發(fā)明的加固的實(shí)施例中，傳感器30最好裝在管32中，管32是封閉的以保護(hù)傳感器免受腐或其他有害影響。一些加熱的流體流入輻射罩34內(nèi)，該罩為一與葉片28和管32相接觸的端部開口的部件。該流體隨后流經(jīng)位于探測器子組件較低部分的孔36，并通過腔16中的孔38再經(jīng)孔40流出探測器10。加熱的流體的其余部分從輻射罩34和腔壁17之間流過，通過孔38再從孔40流出探測器10。
根據(jù)本發(fā)明，流體不僅直接地或經(jīng)管32、而且還通過葉片28向傳感器30傳熱。葉片28的作用是增大傳感器30暴露給流體的有效表面，從而增強(qiáng)傳感器與流體的熱耦合。這種增強(qiáng)的熱耦合改善了傳感器的時(shí)間響應(yīng)，并減小了如管導(dǎo)熱(stemconduction)或輻射傳熱這樣的竟?fàn)師嵝?yīng)造成的誤差。
葉片28最好由高導(dǎo)熱性材料如銅制成，并大致沿傳感器30的整個(gè)敏感長度L(見圖2)與傳感器30熱耦合。若由銅制成，葉片28最好還包括耐腐蝕材料(如鎳)的薄覆蓋層，以防止銅的剝蝕。葉片28也要足夠薄，以至附加的葉片質(zhì)量對探測器的影響(趨向于放慢探測器時(shí)間響應(yīng))小于附加的葉片表面積的影響(趨向于加快探測器時(shí)間響應(yīng))，以產(chǎn)生對流體溫度變化的探測器時(shí)間響應(yīng)的凈加快。葉片28最好為大致平面狀態(tài)，并與腔軸18對準(zhǔn)，其理由將在下面討論。
圖2顯示了圖1的溫度探測器子組件50的放大圖。盡管每一葉片28沿整個(gè)葉片長度與流體接觸，從流體到葉片或反之的熱交換主要發(fā)生在各葉片的葉片前緣28a。相對講，發(fā)生在葉片后緣28b的熱交換相對較小。因此，葉片后緣28b最好與葉片內(nèi)緣28c成銳角，而葉片28沿內(nèi)緣28c附在管32上。這種角度能使葉片質(zhì)量減小，但卻保持了基本上沿傳感器30的整個(gè)長度L從葉片前緣28a經(jīng)葉片28至傳感器30的熱傳導(dǎo)。
傳感器30有熱響應(yīng)特性和敏感長度L。最好，傳感器30是一種電阻性溫度器件(RTD)，它由繞在高阻材料(如氧化鋁)的圓柱體上的一段鉑絲組成。在此情況下，熱響應(yīng)特性為RTD的電阻，且探測器10包括把傳感器經(jīng)線44連到電路裝置42的引線31，而裝置42用于測量RTD的電阻并由此提供一個(gè)為電阻函數(shù)的輸出46。表示腔16中的流體溫度的輸出46可被用于閉環(huán)控制系統(tǒng)或顯示在指示器48上。在其他實(shí)施例中，如在圖6中，傳感器30a包括其他已知溫度傳感器，如熱電偶或一些發(fā)光材料。
溫度探測器10最好還含有包圍管32和葉片28的輻射罩34。沿輻射罩34的內(nèi)和外表面流動的流體，以與葉片28、管32及最終到傳感器30相同的方式，對罩34進(jìn)行加熱或冷卻。在某些場合，罩34達(dá)到的溫度雖然與傳感器30的溫度足夠相近以致罩34能有效地屏蔽熱輻射，但它仍與傳感器溫度有偏差。
葉片28最好在葉片外緣28d與輻射罩34相連，以使傳感器30免受振動。由此，葉片28起到兩個(gè)作用它們增加傳感器30與流體的熱耦合，且它們還為傳感器30提供機(jī)械支撐。葉片外緣28d應(yīng)盡可能地短，最好遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于內(nèi)緣28c，以減少傳感器30和罩34間的傳導(dǎo)熱交換，從而使傳感器溫度更能代表流體溫度。使葉片外緣28d短還能降低傳感器的有效熱質(zhì)量(termalmass)，從而加快了時(shí)間響應(yīng)。在另一實(shí)施例中，一些或全部葉片可保持不與罩相連，以進(jìn)一步減少傳感器與輻射罩間的傳導(dǎo)熱交換。
根據(jù)本發(fā)明，葉片28大致與腔軸18對準(zhǔn)，以促進(jìn)流體的層流，而不是湍流或渦流。傳感器30和輻射罩34之間區(qū)域的流體湍流是不希望有的，因?yàn)樗鼤ㄟ^傳感器30和罩34間的流體部分的對流而增大了二者間的熱耦合。由于上述的這些部件間的溫差，這種增大的耦合是不希望有的。
圖4顯示了沿圖2的4-4線取的探測器子組件50的視圖?？汕宄氐饺齻€(gè)葉片28、管32、輻射罩34及多個(gè)孔36?？?6的橫截面可是圓形的(如圖4所示)，也可是非圓形的。
圖3顯示了與圖2的子組件相似的溫度探測器子組件60的另一實(shí)施例。探測器子組件60包括沿著傳感器64的整個(gè)長度L′與傳感器熱耦合的葉片62以及防護(hù)管66和輻射罩68。葉片62最后借助纖焊或焊接連接而沿葉片內(nèi)緣62a附到管66上并沿葉片外緣62b附到輻射罩68上。如在前一實(shí)施例中那樣，葉片后緣62c與葉片內(nèi)緣62a成銳角。子組件60象子組件50一樣，裝在溫度探測器外殼的腔中，從而使葉片62對準(zhǔn)腔的軸線。圖5顯示了溫度探測器子組件60沿圖3中的5-5線取的視圖。可清楚地看到四個(gè)葉片及相鄰的部件。本發(fā)明的溫度探測器當(dāng)然也可有其他數(shù)量的葉片，如一、二或更多個(gè)。葉片數(shù)過多會增加制作溫度探測器的成本，并使葉片靠得太近，使相鄰葉片的表面的流體邊界層相遇或接觸，因而是不可取的。
已結(jié)合較佳實(shí)施例描述了本發(fā)明。但本領(lǐng)域中的人員應(yīng)認(rèn)識到，在不背離本發(fā)明的精神和原則的前提下，可進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的改動。
權(quán)利要求
1.一種溫度探測器，用于測量相對該探測器流動的流體的溫度，包括一個(gè)殼，它有一個(gè)具有腔軸的腔，并適于沿腔軸輸送至少一部分流體；一個(gè)具有熱響應(yīng)特性的傳感器，該傳感器還具有一敏感長度；以及一個(gè)葉片，設(shè)在腔內(nèi)并基本上沿著整個(gè)敏感長度與傳感器熱耦合；其中葉片與傳感器熱耦合的程度大于葉片與外殼熱耦合的程度，而且葉片基本上與腔軸相對準(zhǔn)以促進(jìn)流體的層流。
2.如權(quán)利要求1所述的探測器，還包括一個(gè)設(shè)在腔中并與葉片及傳感器相熱聯(lián)系的管，傳感器就設(shè)在該管中。
3.如權(quán)利要求2所述的探測器，其中葉片沿葉片內(nèi)緣附在管上。
4.如權(quán)利要求3所述的探測器，其中葉片有后緣，且其中至少一部分后緣與葉片內(nèi)緣成銳角。
5.如權(quán)利要求1所述的探測器，葉片包括基本上為平面的、帶有防腐蝕材料覆層的銅部件。
6.一種探測器，用于測量相對于該探測器流動的流體的溫度，包括一個(gè)帶有具有腔軸的腔的外殼，該外殼適于沿腔輸送至少一部分流體;一個(gè)具有熱響應(yīng)特性的傳感器，該傳感器還有一敏感長度;多個(gè)葉片，設(shè)在腔內(nèi)并大致沿整個(gè)敏感長度與傳感器熱耦合;其中葉片與傳感器熱耦合的程度大于葉片與外殼熱耦合的程度，且葉片基本上與腔軸對準(zhǔn)以促進(jìn)流體的層流。
7.如權(quán)利要求6所述的探測器，還包括設(shè)在腔內(nèi)并與葉片及傳感器熱聯(lián)系的管，傳感器設(shè)在該管中。
8.如權(quán)利要求7所述的探測器，其中每一葉片與傳感器的熱耦合是通過把各葉片沿葉片內(nèi)緣附到管上來實(shí)現(xiàn)的。
9.如權(quán)利要求8所述的探測器，還包括設(shè)在腔內(nèi)的端部開口的部件，該端部開口的部件包圍了管和葉片。
10.如權(quán)利要求9所述的探測器，其中每一葉片沿葉片外緣附在端部開口的部件上，且其中葉片外緣短于葉片內(nèi)緣。
11.如權(quán)利要求1、6或10中的任一項(xiàng)所述的探測器，還包括用于檢測熱響應(yīng)特性并提供作為其函數(shù)的輸出的系統(tǒng)裝置;用于顯示該輸出的顯示裝置。
12.如權(quán)利要求1或6所述的探測器，其中傳感器包括一段繞制的鉑絲。
13.如權(quán)利要求1或6所述的探測器，其中傳感器包括一些發(fā)光材料。
14.一種探測器，用于測量相對于該探測器流動的流體的溫度，包括一個(gè)外殼，該外殼有一個(gè)具有腔軸的腔，并適于沿腔軸輸送至少一部分流體;一個(gè)裝在腔中并有熱響應(yīng)特性的傳感器，該傳感器還有一個(gè)敏感長度;以及一個(gè)葉片，設(shè)在腔中并大致沿整個(gè)敏感長度與傳感器機(jī)械連接;其中至少一部分葉片邊緣與外殼分開以減小其間的傳導(dǎo)熱交換，且葉片基本上與腔軸對準(zhǔn)以促進(jìn)流體的層流。
全文摘要
一種溫度探測器10，它測量相對其流動的流體的溫度。探測器10包括外殼14、傳感器30及一或多個(gè)葉片28。外殼14包括具有腔軸18的腔16，外殼14沿腔軸18至少輸送一部分流體。傳感器30有敏感長度，葉片28大致沿整個(gè)敏感長度與傳感器30熱耦合。葉片28還大致與腔軸18對準(zhǔn)，以促進(jìn)腔16中的流體的層流。在一較佳實(shí)施例中，傳感器30裝在防護(hù)管32中，且葉片28沿葉片內(nèi)緣連在管32上。該葉片還沿葉片外緣連在包圍管32的輻射罩34上，葉片外緣比內(nèi)緣短。
文檔編號G01K13/02GK1081252SQ93108600
公開日1994年1月26日 申請日期1993年7月15日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月16日
發(fā)明者理查德·W·菲利浦斯 申請人:羅斯蒙德公司