特殊环境下热电偶的选择和测温端的设计

　　一、前言

　　由于我们所面临的环境不一般:一是由于用石墨作加热器,功率比较大,炉温比较高,大约为1600℃;二是由于石墨加热器大电流低电压加热,电流感应特别严重;三是所测量的环境含有石墨气氛,腐蚀热电偶,在这样特别恶劣的环境中,如何准确地测量炉体温度是我们所要解决首要问题。本文从测温原理和工程实用的角度出发,选择热电偶、保护管和绝缘管的型号,设计测温端的结构并分析其原因。

　　二、热电偶型号的选择

　　对于高温,通常采用S、B或W型热电偶,其性能见表1。

　　由于热电偶是在含碳还原性气氛真空炉中使用,B或S型热电偶不适合,且价格贵,W型也不适合,但通过改进测温端的结构可使其防碳腐蚀,所以选择了WRe3-WRe25热电偶,且其价格便宜,热电势值大,输出信号大。

　　三、热电偶测温端结构设计

　　主要考虑三点,一是由于存在含碳气氛,在高温下它使钨铼偶丝渗碳而变质,发生热电势漂移,热电势值减少。二是这种含碳气氛对测温热电偶与炉体之间的绝缘性和两根热电偶之间的绝缘性有影响,其影响见图1、图2、图3和表2,图1为石墨气氛对热电偶与地和热电偶之间导电性的影响示意图。图2、图3分别为三对热电偶在炉体不同位置不同温度下对地电阻图和对地电阻局部图。

　　从图2和图3可看出:测温热电偶与炉体之间的绝缘性随着温度的升高而降低,从表2可知,当温度达到1600℃左右,热电偶的对地电阻只有几百Ω,这说明碳气在高温下成了一种导电气氛。三是碳气氛会在保护管表面渗碳,使保护管的气密性下降。因此,在设计测温端时特别要考虑含碳气氛的腐蚀、导电和渗碳。所以,热电偶测温端设计如图4,说明如下:石墨气氛腐蚀所需的温度比导电所需的温度要高,因此,热电偶完全封闭的长度由热电偶所在石墨气氛导电区的长度来确定,采用金属管作保护管而没采用非金属保护管主要是削弱石墨大电流对热电偶的感应,起屏蔽作用,其它按常规设计。

　　采用新设计的测温端测量其对地电阻如图5和图6。

　　热电偶在不同温度下对地电阻规律相同,但总体的绝缘性提高,在1600℃左右时,电阻数量级为103,对热电偶的影响可忽略。

　　四、结论

　　通过在生产和科研中长时间的使用统计,可得出:我们所作的热电偶的测温端的设计和材料的选择能够适应此特殊的测温环境。

　　作者：李小波(湘潭大学新材料研究中心,湖南湘潭411105)