高精度金-铂热电偶的制作和热电稳定性研究.docx

? ? 高精度金-铂热电偶的制作和热电稳定性研究 ? ? 郑 玮， 汤 磊， 向明东 (中国计量科学研究院，北京 100029) 1 引 言 目前国内准确度最高的热电偶温度计首推铂铑10-铂热电偶，但是其测量精确度很难达到0.3 ℃[1]。其主要原因是构成热电偶的铂铑合金电极的材料成分,在制作和使用过程中不能保证良好的热电均匀性和稳定性，致使热电偶的温度与热电势的关系具有很大的不确定性，校准数据的有效性受到限制[2,3]。为此，相关学者开始探索使用纯金属制作热电极以解决现存热电偶本身技术缺陷，提高热电偶温度计的测量水平[4,5]。 金-铂热电偶正负电极均由纯度很高的金属材料构成(正极纯金，负极纯铂)，理论上材料没有传统合金电极中不均匀性和使用中合金成分不稳定性的影响[2]，可以大大降低这部分带来的测量不确定度。据文献[6]报道金-铂热电偶在0～1 000 ℃ 范围内测量不确定度可以达到0.01 ℃。这与目前的最好的铂铑10-铂热电偶相比，热电偶的测量水平具有较大地提升空间。 国内曾在上世纪90年代有过初步研究，并在1997年制定了《金-铂热电偶检定规程》[7]，受当时技术条件影响，热电偶制作的方式比较简单，测量结果不甚理想。为了进一步提高金-铂热电偶准确度，研究人员在结构上进行了一些改进，使用了保护套管以阻止使用环境中污染物的侵袭，以保持热电偶金属电极的高纯度[8]。考虑到金和铂的热膨胀系数差异较大的影响，在测量端结构上进行了改进，以降低和减小机械应力产生附加热电势，并且在热电偶参考端上也采用了更加可靠的连接方式。下面将对金-铂热电偶制作工艺方法的探索研究以及稳定性的测量结果作一介绍。 2 温度计的设计和制作 图1为热电偶测量端的3种结构。传统的铂铑10-铂热电偶的正负电极直径均为φ0.5 mm,长度约为1 m,电极穿入到双孔氧化铝绝缘管中，热电偶的测量端是直接进行焊接，其结构如图1(a)所示。 图1 热电偶测量端3种结构Fig.1 3 structure types of thermocouple measurement junction 实验中热电偶制作使用的电极材料均选用昆明贵金属所生产的铂丝和金丝，其名义纯度均为99.995%，直径均为φ0.5 mm。 将铂丝剪成180 mm长度，用无水乙醇擦洗表面后用纯净水擦干，挂在退火柜中通入11.6 A电流，温度约为1 300 ℃，退火时间为10 h。 金丝由于退火后较为柔软，如采用悬挂通电退火方式，丝材会受重力影响被拉长[2,9]，故金电极退火仅采用了水平放置炉内退火的方式。为了保证退火温度均匀性，退火炉使用了特别定制的3段温度控制，1 000 ℃退火温度下，60 cm长的工作区最大温差在±4 ℃以内。金丝被剪成多段，单丝长度为 600 mm。首先使用无水乙醇擦洗丝材表面，再用纯净水拭干，穿入长为750 mm的清洁多孔退火氧化铝管中，放入退火炉中，升温至1 000 ℃，时间保持10 h,然后降温到450 ℃，保持时间12 h，自然冷却至室温取出。取出的金丝并按照原顺序将3段金丝使用氢氧焰焊机对焊接成1 800 mm长度的1根。 金丝和铂丝分别穿入长度700 mm,外直径为φ4 mm，孔径为φ1.4 mm的双孔氧化铝管中，前端留出一定长度用于制作测量端，后部裸露的部分分别穿入φ1.1 mm直径的聚四氟管中，使用一小段热缩管将双孔氧化铝管与聚四氟管进行固定。 金-铂热电偶由于金和铂的热膨胀系数差异较大，高温中正极金丝(热膨胀系数为14.2×10-6K-1)膨胀将明显大于负极铂(热膨胀率为9.1×10-6K-1)[3]，如按照传统方式直接焊接热电偶测量端,负极会被正极的膨胀而拉长，正极会因负极拉力而变形弯曲，且两电极相互拉扯产生的机械应力会产生一个附加的热电势，从而影响测量的准确度，且热电偶经历多次反复升降温，电极经多次拉伸可能会造成正极缩径甚至拉断，因此在热电偶测量端结构上应充分考虑此影响因素，降低热膨胀差带来的影响，以减小机械应力产生附加热电势[10]。 实验设计制作采取了2种结构方式制作热电偶的测量端。(1)小圈结构。将一根直径为φ0.15 mm的细铂丝(纯度99.995%)绕3圈，将小圈两端分别焊接在热电偶的金丝和铂丝上，以构成热电偶的测量端，见图1(b)[6]。(2)U型结构。将热电偶的铂丝露出端弯曲呈U性[10]，然后与金丝对焊，U型弯曲的直径大约φ2 mm,高度大约5 mm，见图1(c)。 将热电偶装入事先准备好的带手柄的石英保护管中。石英保护管的长度为700 mm,直径为φ6.8 mm。热电偶测量端与石英管的底部保持约为8 mm间距。手柄使用铝材制作表面喷砂氧化，双孔氧化铝管与手柄牢固连接，同时热电偶电极也使用卡具固定在手柄上，防止前后移动，并且将手柄与引出电