貴金屬鎧裝熱電偶的發(fā)展及合理規(guī)則

概述：

貴金屬鎧裝熱電偶具有特殊的結(jié)構(gòu)和特性，對套管、偶絲、絕緣材料進行了介紹，列出了貴金屬鎧裝熱電偶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并介紹了其應(yīng)用領(lǐng)域。對貴金屬鎧裝熱電偶的發(fā)展方向進行了展望。

貴金屬熱電偶具有測溫準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，測溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油化工、玻璃纖維、電子、航空和航天等領(lǐng)域。但是貴金屬熱電偶在高溫環(huán)境下強度降低，對環(huán)境污染敏感，難以適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下或空間狹窄區(qū)域要求彎曲且熱響應(yīng)時間短的場所。

貴金屬鎧裝熱電偶是在貴金屬熱電偶的基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新型測溫材料，其采用氧化鎂或其它絕緣材料，將偶絲和絕緣材料裝配在一根貴金屬合金管中經(jīng)反復(fù)拉拔和退火處理，加工成一體的細(xì)長的不可拆卸的堅固實體，其具有抗振動、耐高壓、耐介質(zhì)化學(xué)腐蝕、能彎曲、響應(yīng)時間短和堅固耐用等優(yōu)點。我國對貴金屬鎧裝熱電偶的研制工作起步較晚，主要對貴金屬鎧裝熱電偶的外套管材料、絕緣材料、偶絲材料的選取，鎧裝熱電偶的加工工藝，貴金屬鎧裝熱電偶的性能等方面開展了一些研究工作，但相關(guān)的文獻報道較少。

1、貴金屬鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)和特性  
①貴金屬鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu) 貴金屬鎧裝熱電偶主要由貴金屬套管、絕緣材料、偶絲材料構(gòu)成，通常在貴金屬外套管和偶絲之間充填氧化鎂或其它絕緣材料，在保持高溫絕緣的情況下使偶絲處于氣密狀態(tài)，從而防止由于空氣或高溫下氣體使熱電偶腐蝕和劣化。圖1為貴金屬鎧裝熱電偶的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

貴金屬鎧裝熱電偶的熱端可作成接殼式、絕緣式、露端式以及用于測量高速瞬變氣流溫度的帶阻滯室式，如圖2所示。

②貴金屬鎧裝熱電偶的特性
貴金屬鎧裝熱電偶的特性可概括為：
a、耐腐蝕，由于受金屬管的保護，貴金屬鎧裝熱電偶絲被氣密性保護，即使在氧化、易腐蝕環(huán)境下也可使用；
b、熱電勢穩(wěn)定性好，長期使用熱電勢漂移??；
c、使用溫度上限高；
d、鎧裝熱電偶端部被氣密性封閉，內(nèi)部無殘留氣體，熱電偶絲不易應(yīng)化學(xué)反應(yīng)而惡化；
e、絕緣電阻高，貴金屬鎧裝熱電偶在室溫下可達到50M?以上；
f、產(chǎn)品規(guī)格、保護管材料可根據(jù)用戶要求加工，適用多種環(huán)境場合，經(jīng)久耐用；
g、易彎曲，撓性好，安裝、裝配簡單，安裝條件不苛刻；
h、耐壓、耐震動；
i、熱響應(yīng)時間短；
j、壽命長，因受外金屬管的保護，使熱電偶絲的惡化得到抑制，惡化周期變長，因此比普通熱電偶的使用壽命長。

2、貴金屬鎧裝熱電偶用套管  
鎧裝熱電偶的套管材料通常選用不銹鋼(如SUS310s、SUS316、AISI446等)、高溫合金(GH3039、Hastelloy X等)、鉭、鉬、鈮合金，但是這些廉金屬材料通常對氮、氧、氫和碳具有化學(xué)活性，在測量復(fù)雜環(huán)境溫度時受到限制難以得到廣泛應(yīng)用，僅在原子能工業(yè)中為了測量熔融金屬鉍、鈉、鉀、鉛、鈉-鉀合金的溫度以及特殊腐蝕介質(zhì)的溫度而采用鉭或鈮作為外套管的鎧裝熱電偶。文獻報道了一種鎧裝熱電偶，這種熱電偶由Pt-Rh10/Pt偶絲，氧化鎂絕緣材料和GH39高溫合金管構(gòu)成，文獻介紹了Hastelloy X合金作為外管的鎧裝熱電偶材料，它和絕緣材料、熱電偶材料具有良好的相容性。

貴金屬鎧裝熱電偶的套管材料通常采用鉑及鉑合金或銥及銥銠合金構(gòu)成。鉑及鉑合金具有如下特性：
①高的熔點；
②在900℃以上大氣氣氛中具有高的抗氧化性和熱穩(wěn)定性；
③具有高的抗腐蝕性，能經(jīng)受像HNO3、HCN、HF以及高至1600℃熔融玻璃和其他硅酸鹽熔體的嚴(yán)重腐蝕；
④高的高溫強度及力學(xué)穩(wěn)定性；
⑤良好的延展性和可加工性能，可制作成所要求的結(jié)構(gòu)部件和產(chǎn)品；
⑥良好的可焊接性能，可通過焊接制備所要求的構(gòu)件。

從鉑及鉑合金的特性不難看出，鉑及鉑合金是理想的貴金屬鎧裝熱電偶套管材料。純鉑在高溫下強度較低往往因受自身重量及高溫沖擊、振動而致?lián)p壞，因此在鉑中添加銠元素以提高材料的高溫強度和高溫沖擊能力，通常含銠量低的鉑銠合金在大氣中可使用到1500℃，Rh質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%的鉑銠合金在大氣中可使用到1700℃。除鉑及鉑銠合金制作貴金屬鎧裝熱電偶套管材料外，文獻[3]中介紹了一種鉑鉬鎧裝熱電偶，其外套管采用PtMo5合金，在氦氣氣氛外采用與321型不銹鋼相連接。文獻[6]介紹了一種雙層套管鎧裝熱電偶，其外套管采用鉭管或鈮管，內(nèi)套管采用鉑或鉑銠合金，從而避免偶絲在高溫下遭受外套管材料(如Ta、Nb)所引起的污染，保證了偶絲的熱點性能的穩(wěn)定。貴研鉑業(yè)股份有限公司在貴金屬鎧裝熱電偶用套管材料方面進行了深入的研究，開發(fā)的鉑銠合金外套管的鎧裝熱電偶已成功用于某型號航空發(fā)動機的研制，表1列出了幾種常用的貴金屬鎧裝熱電偶用套管材料。

表1 貴金屬鎧裝熱電偶用套管材料