一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置及方法与流程

1.本发明涉及一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置及方法，属低温工程研发应用技术领域。


背景技术：

2.在真空低温环境下如何安装温度传感器，以提高其测量的灵敏度和准确度一直是业界的一大难题。
3.现有的真空低温环境下温度传感器的安装方式主要有以下四种，具体如下：
4.①
将温度传感器直接使用低温热敏胶粘贴到被测试件上。这种安装方式的优点是：操作简单，成本低；缺点是：对低温热敏胶性能要求高，但寿命低，返修风险频率较高。
5.②
将工装采用焊接的方式固定到被测试件上，然后使用低温热敏胶将温度传感器粘贴到工装上。这种安装方式的优点是：经济性较好，操作也较为简单；缺点是：被测试件温度是通过工装传导至低温热敏胶后再传导给温度传感器，温度偏差较安装方式
①
大。
6.③
在被测试件上打孔，将温度传感器穿到孔中，并采取焊接等方式进行密封。这种安装方式的优点是：温度测量准确度高；缺点是：存在试件内介质泄露风险。
7.④
将温度传感器的导线缠绕被测试件或者管路设备几圈之后再连接至温度传感器(即先做“热沉”)，安装方式可以是上述安装方式
①
、
②
或
③
中的任何一种。这种安装方式的优点是：测量温度准确；缺点是：成本较高。
8.由于所述安装方式各有其优缺点，因此需要一种能够对真空环境下低温温度传感器安装方式的准确性、灵敏度和经济性进行评价的测试装置。


技术实现要素：

9.为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置及方法。所述装置及方法能够对真空环境下低温温度传感器安装方式的准确性、灵敏度和经济性进行评价；测量准确性高，可重复使用，制造难度低，成本可控，方便拆卸和维护。
10.为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
11.一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置，所述装置组成部件包括控制阀a、真空阀、控制阀b、压力变送器、抽真空装置、液位计、电脑、真空电连接器、真空箱、保温层、低温容器和标定温度传感器。
12.低温容器为上端开口容器，用于盛放低温液体，作为被测试件。低温容器位于真空箱内。
13.真空箱主要由箱体和顶盖组成，顶盖和箱体之间为可拆卸的密封连接结构，优选采用法兰结构，并在连接处设有密封结构，如氟橡胶密封圈、丁腈橡胶密封圈或是聚四氟乙烯垫片等。真空箱用于提供真空环境。
14.真空箱内壁包覆有保温材料形成保温层，用于保持被测试件的低温测试环境。保
温层采用表观导热系数小于等于1.5
×
10-4
w/(m
·
k)，放气速率小于等于8
×
10-7
pa
·
m3/(s
·
g)的保温材料，如富士达低温绝热纸/发射屏复合产品pl-900-5、zl-1110-2等。
15.优选真空箱内的顶盖下方还设有防辐射屏，防辐射屏为厚度小于等于2mm的不锈钢304或316l材质镜面钢板，防辐射屏的形状与真空箱的横截面形状相相似，且略小于真空箱的横截面，当真空箱的横截面为圆形时，优选防辐射屏形状为圆形，直径比真空箱的内径小10mm～20mm。防辐射屏通过固定连接件与顶盖连接后处于低温容器上部，所述固定连接件的热导率小于等于1.0w/(m
·
k)，优选所述固定连接件为玻璃钢螺栓。防辐射屏用于减少所述装置中被测试件与外界环境温度的热交换，以提供更好更稳定的低温测试环境。
16.控制阀a位于真空箱外，安装在低温液体输送管路上，用于控制低温液体的输入。低温液体输送管路一端位于真空箱外，与低温液体连通，另一端通过真空箱的顶盖伸入低温容器内。
17.抽真空装置和真空阀位于真空箱外，真空阀安装在抽真空管路上。抽真空管路一端位于真空箱外，与抽真空装置连接，另一端通过真空箱的顶盖伸入真空箱内，并位于低温容器内的低温液体外。
18.由于低温液体会气化产生气体，真空箱为密闭容器，因此需要将气体排出。控制阀b位于真空箱外，安装在气体输出管路上，用于控制气体的输出。气体输出管路一端位于真空箱外，另一端通过真空箱的顶盖伸入真空箱内，并位于低温容器内的低温液体外。
19.优选当气体需要回收处理时，例如有毒气体或是有回收利用价值的气体，在气体输出管路位于真空箱外一端连接气体回收装置。
20.压力变送器位于真空箱外，与气体压力测试管路一端连接，气体压力测试管路的另一端通过真空箱的顶盖伸入真空箱内，并位于低温容器的低温液体外，用于测试低温液体气化的气体在密闭真空箱中形成的气体压力。当压力变送器测得气体压力低于10pa时，打开控制阀b，排出气体。
21.由于低温液体的加入量不能超过低温容器的容积，因此设置液位计用于测量低温容器中低温液体的液位变化，以控制阀a的开关。优选当低温液体的液位达到低温容器体积的1/2～2/3时，关闭控制阀a，停止输入低温液体。液位计可以为现有技术中满足使用需要的液位计，例如差压液位计或是激光液位计。由于向低温容器注入低温液体的过程中，低温液体一直处于不断的汽化过程，液面波动大，使用激光液位计测量精度较差压液位计低，因此优选所述液位计为差压液位计。
22.当液位计为差压液位计时，差压液位计装置位于真空箱外，差压液位计装置连接有两根液体压力测试管路，一根液体压力测试管路通过真空箱的顶盖伸入真空箱内，并位于低温容器的低温液体液面上方，另一根液体压力测试管路通过真空箱的顶盖伸入真空箱内，并从低温容器底部伸入低温容器内。
23.本发明所述控制阀a和控制阀b均为密封性能良好的截止阀或者开关阀，可以为气动、手动阀门或自动控制阀，例如球阀。
24.低温液体输送管路、抽真空管路、气体输出管路、气体压力测试管路和液体压力测试管路与真空箱的顶盖之间为分别独立的密封连接，可以采用焊接的密封连接形式。
25.标定温度传感器为浸入式温度传感器，使用时直接浸泡在低温容器的低温液体中，在其显示准度在安装前进行标定确保其读数正确性。
26.真空箱的顶盖上设有真空电连接器，用于将位于真空箱内的标定温度传感器的传感器导线穿出真空箱并与真空箱密封连接；所述传感器导线穿出真空箱后连接至电脑。
27.低温容器的材质优选为不锈钢。低温液体输入低温容器后，低温容器的温度稳定时间与其所使用材质有关，当低温容器的材质为不锈钢时，优选稳定时间为30分钟，此时电脑测得数据曲线趋于近一条直线，温度波动范围不超过1k。
28.优选所述低温液体为液氢、液氧、液氮、液氦或液化天然气。
29.将待评价的温度传感器安装在低温容器上，待评价的温度传感器的传感器导线穿出真空箱并与真空箱密封连接；所述传感器导线穿出真空箱后连接至电脑。安装方式可以采用现有的真空低温环境下温度传感器的安装方式。待评价的温度传感器为一个以上，当为两个以上时，可以采用同一种安装方式，也可采用不同的安装方式。
30.电脑位于真空箱外，用于标定温度传感器以及待评价的温度传感器数据的连续采集分析，采集从低温液体注入低温容器直至低温容器的温度稳定的数据，温度稳定标志为电脑测得数据曲线趋于近一条直线，温度波动范围不超过1k。
31.一种评价真空低温下温度传感器安装方式的方法，所述方法采用本发明所述的装置进行，具体步骤如下：
32.所述装置组成部件及待评价的温度传感器安装好后，控制阀a、真空阀、控制阀b、压力变送器和抽真空装置均处于关闭状态，真空箱的箱体和顶盖密封连接。
33.开始测试时，启动抽真空装置，打开真空阀，将真空箱抽空到10pa以下，关闭真空阀和抽真空装置；打开控制阀a和压力变送器，向低温容器中注入低温液体，低温液体气化产生气体，当压力变送器检测到密闭的真空箱中气压达到10pa以下时，打开控制阀b，通过管路将气体排出至真空箱的外部环境，当气体需要回收时，优选排出至气体回收装置。
34.向低温容器中注入低温液体至液位计显示到达指定液位，优选所述指定液位为低温液体的液位达到低温容器体积的1/2～2/3；关闭控制阀a，停止注入低温液体。
35.通过电脑对标定温度传感器以及待评价的温度传感器数据的连续采集分析，采集从低温液体注入低温容器直至低温容器的温度稳定的数据，并将待评价的温度传感器与标定温度传感器的读数进行对比，如果待评价的温度传感器达到稳定的时间更接近标定温度传感器达到稳定所用的时间，即可说明待评价的温度传感器反应灵敏度更高，此种安装方式对温度传感器灵敏度影响最小；如果待评价的温度传感器达到稳定过程中读数波动小且无跳变则可说明温度传感器性能优良，此种安装方式对温度的传导无影响，以上两个条件均满足则可说明这种安装方式的温度传感器的性能最佳。
36.所述方法中，各组成部件可以采用人工控制的方式，也可以采用自动化控制的方式。
37.有益效果
38.1.本发明提供了一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置及方法，所述装置及方法可以将待评价的温度传感器直接与标定温度传感器进行灵敏度和精度比对，测量准确性高。
39.2.本发明提供了一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置及方法，所述装置及方法可以同时测定评价多个以不同安装方式安装的温度传感器。
40.3.本发明提供了一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置，所述装置
可重复使用。
41.4.本发明提供了一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置，所述装置结构简单，制造难度低，成本可控。
42.5.本发明提供了一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置，所述装置方便拆卸和维护。
43.6.本发明提供了一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置，所述装置中优选设有防辐射屏，用于减少所述装置中的低温与外界环境温度的热交换，以提供更好更稳定的低温测试环境。
附图说明
44.图1为本发明实施例中一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置结构示意图。
45.其中，1—控制阀a，2—真空阀，3—控制阀b，4—气体回收装置，5—压力变送器，6—抽真空装置，7—液位计，8—电脑，9—真空电连接器，10—真空箱，11—保温层，12—低温容器，13—温度传感器a，14—温度传感器b，15—标定温度传感器，16—温度传感器c，17—防辐射屏。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
47.实施例1
48.一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置，如图1所示，所述装置组成部件包括控制阀a 1、真空阀2、控制阀b 3、压力变送器5、抽真空装置6、液位计7、电脑8、真空电连接器9、真空箱10、保温层11、低温容器12和标定温度传感器15。
49.低温容器12为上端开口的不锈钢圆筒，用于盛放液氮。作为被测试件，低温容器12位于真空箱10内。
50.真空箱10主要由箱体和顶盖组成，顶盖和箱体之间为可拆卸的法兰密封连接结构，并在连接处设有氟橡胶密封圈。真空箱10用于提供真空环境。
51.真空箱10内壁包覆有保温材料形成保温层11，用于保持被测试件的低温测试环境。保温层11采用的保温材料为富士达低温绝热纸/发射屏复合产品pl-900-5。
52.真空箱10内的顶盖下方还设有防辐射屏17，防辐射屏17为厚度小于等于2mm的不锈钢304材质镜面钢板，真空箱10的横截面为圆形，防辐射屏17的形状为圆板，直径比真空箱10的内径小10mm～20mm。防辐射屏17通过玻璃钢螺栓与顶盖连接后处于低温容器12上部。防辐射屏17用于减少所述装置中被测试件与外界环境温度的热交换，以提供更好更稳定的低温测试环境。
53.控制阀a 1采用世伟洛克ss-65tsw12p阀门，位于真空箱10外，安装在低温液体输送管路上，用于控制低温液体的输入。低温液体输送管路一端位于真空箱10外，与低温液体连通，另一端通过真空箱10的顶盖伸入低温容器12内。
54.抽真空装置6和真空阀2位于真空箱10外，真空阀2采用世伟洛克ld系列阀门，安装在抽真空管路上。抽真空管路一端位于真空箱10外，与抽真空装置6连接，另一端通过真空
箱10的顶盖伸入真空箱10内，并位于低温容器12内的低温液体的液面上方。
55.由于低温液体会气化产生气体，真空箱10为密闭容器，因此需要将气体排出。控制阀b 3采用世伟洛克ss-65tsw12p阀门，位于真空箱10外，安装在气体输出管路上，用于控制气体的输出。气体输出管路一端位于真空箱10外，另一端通过真空箱10的顶盖伸入真空箱10内，并位于低温容器12内的低温液体液面上方。
56.压力变送器5采用boost.psc.0101，位于真空箱10外，与气体压力测试管路一端连接，气体压力测试管路的另一端通过真空箱10的顶盖伸入真空箱10内，并位于低温容器12的低温液体液面上方，用于测试低温液体气化的气体在密闭真空箱10中形成的气体压力。当压力变送器5测得气体压力低于10pa时，打开控制阀b 3，排出气体。
57.由于低温液体的加入量不能超过低温容器12的容积，因此设置液位计7用于测量低温容器12中低温液体的液位变化，以控制阀a 1的开关。当低温液体的液位达到低温容器12的体积的1/2时，关闭控制阀a 1，停止输入低温液体。液位计7为差压液位计，采用七星华控cyq-3051dp。液位计7位于真空箱10外，连接有两根液体压力测试管路，一根液体压力测试管路通过真空箱10的顶盖伸入真空箱10内，并位于低温容器12的低温液体液面上方，另一根液体压力测试管路通过真空箱10的顶盖伸入真空箱10内，并从低温容器12底部伸入低温容器12内。
58.低温液体输送管路、抽真空管路、气体输出管路、气体压力测试管路和液体压力测试管路与真空箱10的顶盖之间为分别独立的密封连接，采用焊接的密封连接形式。
59.标定温度传感器15为浸入式温度传感器，使用时直接浸泡在低温容器12的低温液体中，在其显示准度在安装前进行标定确保其读数正确性。
60.真空箱10的顶盖上设有真空电连接器9，用于将位于真空箱10内的标定温度传感器15的传感器导线穿出真空箱10并与真空箱10密封连接；所述传感器导线穿出真空箱10后连接至电脑8。
61.将待评价的温度传感器安装在低温容器12上，待评价的温度传感器的传感器导线穿出真空箱10并与真空箱10密封连接；所述传感器导线穿出真空箱10后连接至电脑8。
62.待评价的温度传感器与标定温度传感器15为一样的温度传感器，一共有三个，分别为温度传感器a 13、温度传感器b14和温度传感器c16。
63.温度传感器a 13的安装方式为：直接使用低温热敏胶将温度传感器a 13粘贴到被测试件上，即现有技术中的安装方式
①
；
64.温度传感器b14的安装方式为：将工装采用焊接的方式固定到被测试件上，然后使用低温热敏胶将温度传感器b14粘贴到工装上，即现有技术中的安装方式
②
；
65.温度传感器c16的安装方式为：在被测试件上打孔，将温度传感器c16穿到孔中，并采取焊接进行密封，即现有技术中的安装方式
③
；
66.本实施例中，所述安装方式
①
、
②
和
③
均不作“热沉”。
67.电脑8采用thinkpad x1，位于真空箱10外，用于标定温度传感器15以及待评价的温度传感器数据的连续采集分析，采集从液氮注入低温容器12直至低温容器12的温度稳定的数据，稳定时间为30分钟，此时电脑8测得数据曲线趋于近一条直线，温度波动范围不超过1k。
68.一种评价真空低温下温度传感器安装方式的方法，所述方法采用本实施例所述的
装置进行，具体步骤如下：
69.所述装置组成部件及待评价的温度传感器安装好后，控制阀a 1、真空阀2、控制阀b 3、压力变送器5和抽真空装置6均处于关闭状态，真空箱10的箱体和顶盖密封连接。
70.开始测试时，启动抽真空装置6，打开真空阀2，将真空箱10抽空到10pa以下，关闭真空阀2和抽真空装置6；打开控制阀a 1和压力变送器5，向低温容器12中注入低温液体液氮，液氮气化产生气体，当压力变送器5检测到密闭的真空箱10中气压达到10pa以下时，打开控制阀b 3，通过管路将气体排出至真空箱10的外部环境。
71.向低温容器12中注入液氮至液位计7显示差压到达低温容器12的体积的2/3时；关闭控制阀a 1，停止注入液氮。
72.通过电脑8对标定温度传感器15以及待评价的温度传感器的数据连续采集分析，采集从液氮注入低温容器12直至低温容器12的温度稳定的数据，并将与待评价的温度传感器与标定温度传感器15的读数进行对比。
73.所述方法中，各组成部件可以采用人工控制的方式，也可以采用自动化控制的方式。
74.对比数据结果显示：
75.温度传感器c16的数据更快趋于稳定，比标定温度传感器15趋于稳定的时间长2分钟左右；温度传感器a 13和温度传感器b14趋于稳定的时间相当，比标定温度传感器15趋于稳定的时间长5分钟左右。因此，判定采用温度传感器c 16的安装方式灵敏度更高。
76.温度传感器a 13、温度传感器b14和温度传感器c16趋于稳定后数值与标定温度传感器15趋于稳定后的读数相当，因此判定所述安装方式
①
、
②
和
③
不影响温度传感器测温的准确性。
77.实施例2
78.一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置，所述装置如图1所示，其中，温度传感器a 13的安装方式为：先做“热沉”，即温度传感器a 13的导线缠绕被测试件几圈之后再连接至温度传感器a 13；然后采用实施例1中所述的安装方式
①
，即直接使用低温热敏胶将温度传感器a 13粘贴到被测试件上；
79.温度传感器b14的安装方式为：先做“热沉”，即将温度传感器b14的导线缠绕被测试件几圈之后再连接至温度传感器b14；然后采用实施例1中所述的安装方式
②
，即将工装采用焊接的方式固定到被测试件上，然后使用低温热敏胶将温度传感器b14粘贴到工装上；
80.温度传感器c16的安装方式为：先做“热沉”，即将温度传感器c16的导线缠绕被测试件几圈之后再连接至温度传感器c16；然后采用实施例1中所述的安装方式
③
，即在被测试件上打孔，将温度传感器c16穿到孔中，并采取焊接进行密封；
81.本实施例中，所述安装方式均做“热沉”。
82.所述装置其余的组成部件同实施例1中所述的一种评价真空低温下温度传感器安装方式的测试装置的组成部件。
83.一种评价真空低温下温度传感器安装方式的方法，所述方法采用本实施例所述的装置进行，具体步骤同实施例1中所述的一种评价真空低温下温度传感器安装方式的方法的步骤。
84.对比数据结果显示：
85.温度传感器c16的数据更快趋于稳定，比标定温度传感器15趋于稳定的时间长30秒左右；温度传感器a 13和温度传感器b14趋于稳定的时间相当，比标定温度传感器15趋于稳定的时间长2分钟左右，因此判定温度传感器c16的安装方式灵敏度更高。
86.温度传感器a 13、温度传感器b14和温度传感器c16趋于稳定后数值与标定温度传感器15趋于稳定后的读数相当，所以判定三种安装方式不影响测温准确性。
87.综合根据实施例1和实施例2的结果可知：
88.采用“热沉”可以提高温度传感器的灵敏性，大约可以提高反应灵敏度1分30秒左右，但对于测温准确性影响不大。
89.实施例1中，所述装方式
①
和安装方式
②
，对温度传感器的灵敏性和准确性影响均不大。
90.实施例2中，先做“热沉”，然后采用实施例1中所述安装方式
③
安装的温度传感器的灵敏性和准确性均接近标定温度传感器15，但此种安装方式存在待测试件内介质泄露风险，只能应用在特定场合。
91.因此，温度传感器的最佳安装方式为：先做热沉，然后采用所述安装方式
①
和安装方式
②
进行安装。