专利名称:双石墨纤维热电偶的制作方法
本发明是对金属热电偶的一种技术改进。
决定热电偶的应用范围和使用寿命的因素主要有两个。一个是偶丝的材质，另一个是偶丝的封装保护技术;而封装保护技术对偶丝的保护程度又取决于绝缘体和保护套管的材料，以及保护套管的组装方法。
目前，工业上广泛应用的热电偶都是金属偶丝，这种偶丝熔点较低，不耐腐蚀、抗磁场干扰性能差，有的价格则十分昂贵(例如铂铑偶丝等)。近几年，国际上对非金属热电偶的研究虽然早已开展，但据已有资料表明效果并不显著，例如1982年法国获得专利号为FR78306-A的微型石墨纤维热电偶，在非氧化气氛中能测量2000℃以上的高温，但能否在氧化气氛中使用则未见阐述。国内最先研究石墨热电偶的是包钢钢铁研究所，其次有兰州炭素厂、鞍钢计量处及唐山钢铁研究所等也曾做过这项研究，但其采用的工艺方法均与本发明不同，而且这些单位都因人力、物力等多方面的困难因素而未能持续进行。
在热电偶的现有封装技术中，国外多数采用二氧化锆和刚玉管等作为绝缘体的材料，少数发达国家则采用热压氮化硼和粉状绝缘陶瓷;而保护套管的材料在1150℃以下测温多用碳钢或不锈钢，在1300～1800℃测温时多用高温陶瓷和金属陶瓷，有的采用碳化硅、二硼化锆、氧化钍等。在核工业和航天工业发达的国家，多采用石墨作保护管。这些材料多数是不耐高温(使用温度在1800℃以下)，不耐腐蚀(不能在高温强蚀介质中连续测温)，不耐热震，温感滞后，热贯性大、寿命短、成本高;少数则因其他缺点，例如氧化钍有放射性，氧化铍有剧毒，人们对其不感兴趣。石墨虽有较好的应用效果，但因其未进行防氧化研究而不能用于中、高温氧化气氛，国内常用的保护套管多属陶瓷和不锈钢，近年虽有金属陶瓷的套管问世，但其耐腐蚀性、抗氧化性、抗热震性以及规格尺寸等都还存有一定的缺陷，至于套管的组装方法，目前国内外绝大多数只采用外保护管加内绝缘管，式样单一、品种少、规格不全，这种套管多数不耐腐蚀、不耐热震，不能满足石墨热电偶套管封装的综合要求，更不能在非吸碳高温导体介质中进行开头封装。
本发明的目的是针对现有热电偶的缺点，为显著提高热电偶的综合性能和使用寿命而研制一种能在氧化气氛和非氧化气氛，以及在强腐蚀和强磁干扰等各种条件的高温液态介质中连续进行测温的非金属热电偶。
附图1是本发明产品的一般封装结构示意图，附图2是外套管涂层加温固化的温度与时间曲线图，附图3的(A)和(B)是用作开头封装和闭头封装的绝缘体的两种加工形状示意图。
本发明产品的主要技术内容是根据美国谢发德等人关于石墨物体经过渗硼处理以后硼原子渗入石墨晶格点阵中取代碳原子质点，形成P型置换式半导体结构，因而热电性能十分
定的理论，用一种化学纤维，(例如聚丙烯晴纤维)经过石墨化和渗硼处理以及封装保护，制成一种非金属热电偶。其具体的工艺过程如下
1.化学纤维的强化石墨化，将化学纤维碳化后再进行3000℃以上的电阻发热高温速烧，使化学纤维成为石墨晶体的结构。
2.石墨纤维的热浴渗硼处理先将浓度为2～10%的硼化物水溶液加热至沸点，再将石墨纤维置入沸腾后的硼化物水溶液中，经过不超过一小时的热浴后取出烘干。
3.热电势的标定或分度采用与金属电偶丝相同的标定与分度法，对石墨纤维和渗硼石墨纤维进行热电势的标定或分度。
4.电偶丝的复合封装(参见附图1)
(1)将纯度在98%以上，粒度在200目以下的刚玉粉，用磷酸和水混合搅拌成均匀的泥浆，加温到75～85℃以后，在常温下困料一个星期。困料期间随时用耐腐蚀棒搅拌，使磷酸与刚玉粉充分反应。
(2)将经过困料后的泥浆置于塑料容器中，并将外套管〔1〕放入泥浆中浸泡24小时以上。
(3)将外套管〔1〕从泥浆中取出，并对内外表面的泥浆涂层〔2〕进行加工整形。
(4)将整形以后的外套管〔1〕放入烘箱内升温固化。固化温度与时间的曲线如附图2所示。
(5)根据封装形式的需要，按照附图3所示的(A)或(B)的形状，对绝缘体进行加工。
(6)对石墨纤维进行高温绝缘防氧化保护层的处理。
(7)按照要求的封装形式，将绝缘体〔3〕放入外套管〔1〕的内腔中，再将电偶丝〔5〕放入比外套管〔1〕的直径小的内套管〔4〕的内腔中，接好热端接点〔7〕，而后将装有偶丝〔5〕的内套管〔4〕放入绝缘体〔3〕内，并将内套管〔4〕的内腔和外套管〔1〕的内腔中用充填料〔6〕填实，最后接好冷端接点。
在复合封装中，各个封装元件的材料分别为外套管〔1〕选用石墨管或碳化硅管，保护层〔2〕选用磷酸、刚玉粉和水的混合泥浆，绝缘体〔3〕选用热压氮化硼，内套管〔4〕选用刚玉管，充填料〔6〕选用刚玉粉。各个组合件的尺寸可根据所需要的外套管〔1〕的尺寸，按照一定的比例设计确定。这种复合封装的方法不仅适用于非金属电偶丝，同时还可广泛应用于金属电偶丝。
本发明的优点在于热电偶的偶丝具有质轻、黑亮、柔软可绕、石墨化程度高、材质均匀、物化性能
定，热电势重现性好、热电灵敏度大、抗磁场干扰、耐高温、抗腐蚀、成本低、尺寸和式样灵活、测温精度高等多种特点，电偶丝的保护套管具有耐高温、抗腐蚀、抗热震温感快等多种
定性能。并可根据不同测温条件的需要，分别将不同材质的套管封装成闭头或开头等各种不同的形式。而利用本发明的电偶丝和保护套管的封装技术相匹配的双石墨纤维热电偶的应用范围广泛，可适用于各种气氛和各种介质的高温液态中，例如在非氧化气氛2，200℃以下和氧化气氛1，500℃以下均可连续使用，还可在高炉、热处理盐浴炉、铝电解槽、熔铜炉等高温、强蚀介质中长期使用;特别是在高强磁和强蚀干扰的电解槽中，更能显示出其突出的性能，另外，本发明的保护套管封装技术如果与贵重的铂铑电偶丝相匹配，更可大幅度地提高电偶的使用寿命，扩大金属电偶丝的应用范围。
本发明的最佳实施方案是将保护套管的涂层改为等离子喷涂氧化物，喷涂的厚度在1.5m/m以下为宜。
权利要求
1、一种由偶丝、保护套管、热接点、冷端引线和冷端接线盒等组成的双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的偶丝是采用渗硼石墨纤维和石墨纤维分别作为热电偶的正负偶丝。
2、按照权利要求
1.所说的双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的石墨纤维是选用一种化学纤维，例如选用聚丙烯晴纤维，经过碳化后利用电阻发热高温速烧法进行3000℃以上的石墨化处理。
3、按照权利要求
1.所说的双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的渗硼石墨纤维是将所说的石墨纤维置于浓渡为2～10%并经过加热沸腾的硼化物水溶液中，经过热浴后取出烘干。
4、一种由偶丝、保护套管、热接点、冷端引线和冷端接线盒等组成的双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的保护套管是同时利用几种难熔非金属材料对所说的偶丝进行复合封装的一种保护方法。
5、按照权利要求
4所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的同时利用几种难熔非金属材料，是根据每个封装结构件的需要而选用不同的材质，例如再结晶碳化硅、高强涂层石墨、热压氮化硼，高纯刚玉粉和高铝泥浆。
6、按照权利要求
4所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的对偶丝进行复合封装是由外套管、外套管涂层、绝缘体、内套管和充填料等对偶丝进行封装的一种新技术。
7、按照权利要求
4.5.6.所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的外套管是一种经过涂层处理的石墨管或碳化硅管
8、按照权利要求
7.所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的外套管的涂层处理是先用磷酸、刚玉粉和水混合成泥浆状，加温到75℃～85℃，并在常温下困料后，将所说的外套管放入所说的泥浆中浸泡以后，取出进行内外表面的加工整形和升温固化的处理。
9、按照权利要求
4.5.6.所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的绝缘体是按照封装形式的不同要求，加工成型的一种热压氮化硼管。
10、按照权利要求
4.5.6.所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的内套管是一种比外套管直径小的刚玉管。
11、按照权利要求
4.5.6.所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的充填料是选用刚玉粉。
12、按照权利要求
4.5.6.所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的外套管涂层的最佳实施方案是对外套管进行等离子喷涂氧化物，涂层的厚度在1.5m/m以下。
13、按照权利要求
4.所说的一种双石墨纤维热电偶，其特征在于所说的保护套管可以根据测温条件的要求，分别采用碳化硅管闭头和开头封装、石墨管闭头和开头封装等各种不同的复合封装形式。
专利摘要
一种双石墨纤维热电偶，是用一种化学纤维通过强化石墨化和渗硼处理。分别获得用作正负极的非金属电偶丝，再同时利用几种难熔非金属材料将偶丝进行复合封装的保护。这种热电偶具有耐高温、抗腐蚀、抗热震、抗磁干扰、温感快等多种稳定的性能，适合于在强磁和强蚀气氛的高温液态介质中连续测温。
文档编号G01K7/02GK85103717SQ85103717
公开日1986年11月5日 申请日期1985年5月7日
发明者王好勇 申请人:山东省冶金研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan