專利名稱:雙石墨纖維熱電偶的制作方法
本發(fā)明是對金屬熱電偶的一種技術(shù)改進(jìn)。
決定熱電偶的應(yīng)用范圍和使用壽命的因素主要有兩個(gè)。一個(gè)是偶絲的材質(zhì)，另一個(gè)是偶絲的封裝保護(hù)技術(shù);而封裝保護(hù)技術(shù)對偶絲的保護(hù)程度又取決于絕緣體和保護(hù)套管的材料，以及保護(hù)套管的組裝方法。
目前，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的熱電偶都是金屬偶絲，這種偶絲熔點(diǎn)較低，不耐腐蝕、抗磁場干擾性能差，有的價(jià)格則十分昂貴(例如鉑銠偶絲等)。近幾年，國際上對非金屬熱電偶的研究雖然早已開展，但據(jù)已有資料表明效果并不顯著，例如1982年法國獲得專利號為FR78306-A的微型石墨纖維熱電偶，在非氧化氣氛中能測量2000℃以上的高溫，但能否在氧化氣氛中使用則未見闡述。國內(nèi)最先研究石墨熱電偶的是包鋼鋼鐵研究所，其次有蘭州炭素廠、鞍鋼計(jì)量處及唐山鋼鐵研究所等也曾做過這項(xiàng)研究，但其采用的工藝方法均與本發(fā)明不同，而且這些單位都因人力、物力等多方面的困難因素而未能持續(xù)進(jìn)行。
在熱電偶的現(xiàn)有封裝技術(shù)中，國外多數(shù)采用二氧化鋯和剛玉管等作為絕緣體的材料，少數(shù)發(fā)達(dá)國家則采用熱壓氮化硼和粉狀絕緣陶瓷;而保護(hù)套管的材料在1150℃以下測溫多用碳鋼或不銹鋼，在1300～1800℃測溫時(shí)多用高溫陶瓷和金屬陶瓷，有的采用碳化硅、二硼化鋯、氧化釷等。在核工業(yè)和航天工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，多采用石墨作保護(hù)管。這些材料多數(shù)是不耐高溫(使用溫度在1800℃以下)，不耐腐蝕(不能在高溫強(qiáng)蝕介質(zhì)中連續(xù)測溫)，不耐熱震，溫感滯后，熱貫性大、壽命短、成本高;少數(shù)則因其他缺點(diǎn)，例如氧化釷有放射性，氧化鈹有劇毒，人們對其不感興趣。石墨雖有較好的應(yīng)用效果，但因其未進(jìn)行防氧化研究而不能用于中、高溫氧化氣氛，國內(nèi)常用的保護(hù)套管多屬陶瓷和不銹鋼，近年雖有金屬陶瓷的套管問世，但其耐腐蝕性、抗氧化性、抗熱震性以及規(guī)格尺寸等都還存有一定的缺陷，至于套管的組裝方法，目前國內(nèi)外絕大多數(shù)只采用外保護(hù)管加內(nèi)絕緣管，式樣單一、品種少、規(guī)格不全，這種套管多數(shù)不耐腐蝕、不耐熱震，不能滿足石墨熱電偶套管封裝的綜合要求，更不能在非吸碳高溫導(dǎo)體介質(zhì)中進(jìn)行開頭封裝。
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有熱電偶的缺點(diǎn)，為顯著提高熱電偶的綜合性能和使用壽命而研制一種能在氧化氣氛和非氧化氣氛，以及在強(qiáng)腐蝕和強(qiáng)磁干擾等各種條件的高溫液態(tài)介質(zhì)中連續(xù)進(jìn)行測溫的非金屬熱電偶。
附圖1是本發(fā)明產(chǎn)品的一般封裝結(jié)構(gòu)示意圖，附圖2是外套管涂層加溫固化的溫度與時(shí)間曲線圖，附圖3的(A)和(B)是用作開頭封裝和閉頭封裝的絕緣體的兩種加工形狀示意圖。
本發(fā)明產(chǎn)品的主要技術(shù)內(nèi)容是根據(jù)美國謝發(fā)德等人關(guān)于石墨物體經(jīng)過滲硼處理以后硼原子滲入石墨晶格點(diǎn)陣中取代碳原子質(zhì)點(diǎn)，形成P型置換式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，因而熱電性能十分
定的理論，用一種化學(xué)纖維，(例如聚丙烯晴纖維)經(jīng)過石墨化和滲硼處理以及封裝保護(hù)，制成一種非金屬熱電偶。其具體的工藝過程如下
1.化學(xué)纖維的強(qiáng)化石墨化，將化學(xué)纖維碳化后再進(jìn)行3000℃以上的電阻發(fā)熱高溫速燒，使化學(xué)纖維成為石墨晶體的結(jié)構(gòu)。
2.石墨纖維的熱浴滲硼處理先將濃度為2～10%的硼化物水溶液加熱至沸點(diǎn)，再將石墨纖維置入沸騰后的硼化物水溶液中，經(jīng)過不超過一小時(shí)的熱浴后取出烘干。
3.熱電勢的標(biāo)定或分度采用與金屬電偶絲相同的標(biāo)定與分度法，對石墨纖維和滲硼石墨纖維進(jìn)行熱電勢的標(biāo)定或分度。
4.電偶絲的復(fù)合封裝(參見附圖1)
(1)將純度在98%以上，粒度在200目以下的剛玉粉，用磷酸和水混合攪拌成均勻的泥漿，加溫到75～85℃以后，在常溫下困料一個(gè)星期。困料期間隨時(shí)用耐腐蝕棒攪拌，使磷酸與剛玉粉充分反應(yīng)。
(2)將經(jīng)過困料后的泥漿置于塑料容器中，并將外套管〔1〕放入泥漿中浸泡24小時(shí)以上。
(3)將外套管〔1〕從泥漿中取出，并對內(nèi)外表面的泥漿涂層〔2〕進(jìn)行加工整形。
(4)將整形以后的外套管〔1〕放入烘箱內(nèi)升溫固化。固化溫度與時(shí)間的曲線如附圖2所示。
(5)根據(jù)封裝形式的需要，按照附圖3所示的(A)或(B)的形狀，對絕緣體進(jìn)行加工。
(6)對石墨纖維進(jìn)行高溫絕緣防氧化保護(hù)層的處理。
(7)按照要求的封裝形式，將絕緣體〔3〕放入外套管〔1〕的內(nèi)腔中，再將電偶絲〔5〕放入比外套管〔1〕的直徑小的內(nèi)套管〔4〕的內(nèi)腔中，接好熱端接點(diǎn)〔7〕，而后將裝有偶絲〔5〕的內(nèi)套管〔4〕放入絕緣體〔3〕內(nèi)，并將內(nèi)套管〔4〕的內(nèi)腔和外套管〔1〕的內(nèi)腔中用充填料〔6〕填實(shí)，最后接好冷端接點(diǎn)。
在復(fù)合封裝中，各個(gè)封裝元件的材料分別為外套管〔1〕選用石墨管或碳化硅管，保護(hù)層〔2〕選用磷酸、剛玉粉和水的混合泥漿，絕緣體〔3〕選用熱壓氮化硼，內(nèi)套管〔4〕選用剛玉管，充填料〔6〕選用剛玉粉。各個(gè)組合件的尺寸可根據(jù)所需要的外套管〔1〕的尺寸，按照一定的比例設(shè)計(jì)確定。這種復(fù)合封裝的方法不僅適用于非金屬電偶絲，同時(shí)還可廣泛應(yīng)用于金屬電偶絲。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于熱電偶的偶絲具有質(zhì)輕、黑亮、柔軟可繞、石墨化程度高、材質(zhì)均勻、物化性能
定，熱電勢重現(xiàn)性好、熱電靈敏度大、抗磁場干擾、耐高溫、抗腐蝕、成本低、尺寸和式樣靈活、測溫精度高等多種特點(diǎn)，電偶絲的保護(hù)套管具有耐高溫、抗腐蝕、抗熱震溫感快等多種
定性能。并可根據(jù)不同測溫條件的需要，分別將不同材質(zhì)的套管封裝成閉頭或開頭等各種不同的形式。而利用本發(fā)明的電偶絲和保護(hù)套管的封裝技術(shù)相匹配的雙石墨纖維熱電偶的應(yīng)用范圍廣泛，可適用于各種氣氛和各種介質(zhì)的高溫液態(tài)中，例如在非氧化氣氛2，200℃以下和氧化氣氛1，500℃以下均可連續(xù)使用，還可在高爐、熱處理鹽浴爐、鋁電解槽、熔銅爐等高溫、強(qiáng)蝕介質(zhì)中長期使用;特別是在高強(qiáng)磁和強(qiáng)蝕干擾的電解槽中，更能顯示出其突出的性能，另外，本發(fā)明的保護(hù)套管封裝技術(shù)如果與貴重的鉑銠電偶絲相匹配，更可大幅度地提高電偶的使用壽命，擴(kuò)大金屬電偶絲的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方案是將保護(hù)套管的涂層改為等離子噴涂氧化物，噴涂的厚度在1.5m/m以下為宜。
權(quán)利要求
1、一種由偶絲、保護(hù)套管、熱接點(diǎn)、冷端引線和冷端接線盒等組成的雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的偶絲是采用滲硼石墨纖維和石墨纖維分別作為熱電偶的正負(fù)偶絲。
2、按照權(quán)利要求
1.所說的雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的石墨纖維是選用一種化學(xué)纖維，例如選用聚丙烯晴纖維，經(jīng)過碳化后利用電阻發(fā)熱高溫速燒法進(jìn)行3000℃以上的石墨化處理。
3、按照權(quán)利要求
1.所說的雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的滲硼石墨纖維是將所說的石墨纖維置于濃渡為2～10%并經(jīng)過加熱沸騰的硼化物水溶液中，經(jīng)過熱浴后取出烘干。
4、一種由偶絲、保護(hù)套管、熱接點(diǎn)、冷端引線和冷端接線盒等組成的雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的保護(hù)套管是同時(shí)利用幾種難熔非金屬材料對所說的偶絲進(jìn)行復(fù)合封裝的一種保護(hù)方法。
5、按照權(quán)利要求
4所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的同時(shí)利用幾種難熔非金屬材料，是根據(jù)每個(gè)封裝結(jié)構(gòu)件的需要而選用不同的材質(zhì)，例如再結(jié)晶碳化硅、高強(qiáng)涂層石墨、熱壓氮化硼，高純剛玉粉和高鋁泥漿。
6、按照權(quán)利要求
4所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的對偶絲進(jìn)行復(fù)合封裝是由外套管、外套管涂層、絕緣體、內(nèi)套管和充填料等對偶絲進(jìn)行封裝的一種新技術(shù)。
7、按照權(quán)利要求
4.5.6.所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的外套管是一種經(jīng)過涂層處理的石墨管或碳化硅管
8、按照權(quán)利要求
7.所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的外套管的涂層處理是先用磷酸、剛玉粉和水混合成泥漿狀，加溫到75℃～85℃，并在常溫下困料后，將所說的外套管放入所說的泥漿中浸泡以后，取出進(jìn)行內(nèi)外表面的加工整形和升溫固化的處理。
9、按照權(quán)利要求
4.5.6.所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的絕緣體是按照封裝形式的不同要求，加工成型的一種熱壓氮化硼管。
10、按照權(quán)利要求
4.5.6.所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的內(nèi)套管是一種比外套管直徑小的剛玉管。
11、按照權(quán)利要求
4.5.6.所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的充填料是選用剛玉粉。
12、按照權(quán)利要求
4.5.6.所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的外套管涂層的最佳實(shí)施方案是對外套管進(jìn)行等離子噴涂氧化物，涂層的厚度在1.5m/m以下。
13、按照權(quán)利要求
4.所說的一種雙石墨纖維熱電偶，其特征在于所說的保護(hù)套管可以根據(jù)測溫條件的要求，分別采用碳化硅管閉頭和開頭封裝、石墨管閉頭和開頭封裝等各種不同的復(fù)合封裝形式。
專利摘要
一種雙石墨纖維熱電偶，是用一種化學(xué)纖維通過強(qiáng)化石墨化和滲硼處理。分別獲得用作正負(fù)極的非金屬電偶絲，再同時(shí)利用幾種難熔非金屬材料將偶絲進(jìn)行復(fù)合封裝的保護(hù)。這種熱電偶具有耐高溫、抗腐蝕、抗熱震、抗磁干擾、溫感快等多種穩(wěn)定的性能，適合于在強(qiáng)磁和強(qiáng)蝕氣氛的高溫液態(tài)介質(zhì)中連續(xù)測溫。
文檔編號G01K7/02GK85103717SQ85103717
公開日1986年11月5日 申請日期1985年5月7日
發(fā)明者王好勇 申請人:山東省冶金研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan