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熱電偶保護管選用及特殊領(lǐng)域連續測溫難題

是應用zui廣泛的測溫傳感器。而熱電偶的長(cháng)期穩定性、使用壽命等各項性能指標，都與熱電偶保護管密切相關(guān)。熱電偶損壞率的高低直接取決于熱電偶保護管材料的性能。因此，本文將詳細介紹各種熱電偶保護管的材料、性能和選用，以供技術(shù)人員參考。

隨著(zhù)自動(dòng)化程度的不斷提高，溫度的測量涉及到國民經(jīng)濟的各個(gè)領(lǐng)域，如工農業(yè)生產(chǎn)、國防、科研、醫療、衛生、環(huán)保、氣象以及宇航等部門(mén)。熱電偶因其性能穩定、準確可靠、結構簡(jiǎn)單、使用方便、測溫范圍廣、信號可遠傳等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中已成為應用zui廣泛的感溫元件。而熱電偶的長(cháng)期穩定性、使用壽命等各項性能指標，都與保護管密切相關(guān)。據有關(guān)數據統計，熱電偶在正常的測量范圍內，其損壞率的高低直接取決于保護管材料性能的優(yōu)異。因此，在實(shí)際使用中正確地選擇保護管，是延長(cháng)熱電偶使用壽命的前提。

1、熱電偶保護管的作用
熱電偶保護管主要有兩種用途，一是防止遭受機械損壞；二是保護熱電偶免受被測介質(zhì)化學(xué)腐蝕、不受氧化氣氛或還原氣氛的有害影響，使熱電偶盡可能處于接近其zui佳氣氛中。因此熱電偶必須加以保護，使之不受不良氣氛的侵害。

2、熱電偶保護管使用場(chǎng)合
熱電偶在以下幾種介質(zhì)中使用必須用熱電偶保護管將熱電偶測量電極與介質(zhì)隔絕：
①當與熱電偶接觸會(huì )改變熱電偶化學(xué)成分的各種金屬(固體、液體、氣體)；
②會(huì )腐蝕熱電偶材料的爐氣和其它蒸氣(硫及其化合物是特別有害的)；
③能腐蝕熱電偶材料的各種電解質(zhì)。
熱電偶保護管通常為單保護管，在某些特殊情況下，可采用兩個(gè)同心安裝的保護管。接近熱電偶的稱(chēng)為主保護管，外面的保護管叫輔助保護管。通常采用氧化鋁管為主保護管，碳化硅管為輔助保護管套構成組合保護管，以獲得良好的綜合性能，如具有抗切割火焰、抗熱沖擊或防止機械損傷等作用。

3、理想的熱電偶保護管性能
①耐高溫：在熱電偶溫度測量上限使用，不應產(chǎn)生變質(zhì)和變形，在高溫下抗氧化性能好。
②耐腐蝕：當熱電偶用于酸性或堿性，以及具有其他腐蝕性介質(zhì)中測溫時(shí)，保證有一定的壽命。
③密性好：可防止外界有害介質(zhì)滲入保護管內部，使感溫元件損壞或變質(zhì)。
④導熱性好：具有較高的導熱系數，時(shí)間常數小。
⑤有足夠的機械強度和一定的耐溫劇變的性能。
⑥物理、化學(xué)性能穩定：在長(cháng)期使用中不和外部介質(zhì)、絕緣材料、熱電極材料相互作用而變質(zhì)，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體。
⑦價(jià)格低廉。

4、熱電偶保護管分類(lèi)
熱電偶保護管按其材質(zhì)可分為金屬、非金屬和金屬陶瓷三種。金屬熱電偶保護管機械強度高、導熱性能好、應用非常廣泛；非金屬熱電偶保護管多在1000℃以上溫度測量時(shí)采用，耐熱性能好，震性差、導熱性差；用粉末冶金的方法制成金屬陶瓷保護管，既有耐高溫的性能又有較好的機械強度，有很好的應用前景，可廣泛地用于鋼水、鐵水及高溫鹽浴爐等惡劣的環(huán)境。

5、選擇熱電偶保護管需要考慮的因素
理想的熱電偶保護管是不存在的，但各種材質(zhì)的熱電偶保護管有各自的特點(diǎn)。選擇熱電偶保護管時(shí)，要考慮以下因素：被測介質(zhì)的溫度、氣氛、流速、腐蝕性如何，管子的粗細、壁厚、長(cháng)短、氣密性、抗熱沖擊、化學(xué)適應性、承受壓力、應力、響應速度、性?xún)r(jià)比如何。我們可以根據實(shí)際情況，選擇合適的保護管材料。熱電偶保護管的選取原則是：根據技術(shù)指標結合實(shí)際情況，來(lái)選擇方案。在實(shí)際工作中，大家可以根據經(jīng)驗、熱電偶廠(chǎng)家選用指南手冊，快速地選取熱電偶保護管材料。在使用這些資料時(shí)必須仔細注意各種特定的情況。

在測量高溫燃油、燃氣、燃煤系統，以及測量各種高溫窯爐、熱處理用的高溫鹽浴爐和各種金屬冶煉爐等的溫度時(shí)，都會(huì )遇到高溫和氧、硫、焦油、氧離子等對保護管的強烈浸蝕。除要求其能經(jīng)受高溫物理?yè)p傷，還要其能經(jīng)受化學(xué)損傷。在這種惡劣的環(huán)境中，通常使用雙保護管。主保護管使用的是一種以富鋁紅柱石為基礎添入某些添加劑的陶瓷，它具有機械和耐熱沖擊zui好的綜合性能，上限溫度為1650℃。為輔助保護套管采用碳化硅套管，這種材料能抗火焰的切割作用。它是不滲透氣體的，可作為致密保護套管使用，還能制成氮化物粘結型的材料，從而是滲透性大為減小。防止熱電偶腐蝕，避免火焰和氣流直接沖擊以及提高熱電偶的強度。因此，在這類(lèi)惡劣條件下測溫，對保護管的要求比較苛刻：在測溫范圍內材料不變形，不變質(zhì)，耐溫度突變的沖擊，耐被測溫介質(zhì)的浸蝕且材質(zhì)應當是致密的，不會(huì )產(chǎn)生被測介質(zhì)的任何滲漏以免損傷熱電極，材料導熱性能要好且易于加工制造。

6、熱電偶保護管材質(zhì)及用途
用戶(hù)或熱電偶廠(chǎng)家在選用熱電偶保護管材料時(shí)要兼顧使用壽命和經(jīng)濟性?！?/span>》和《》文章中對熱電偶保護管應用做了詳細說(shuō)明，在此不再累述。

7、現階段特殊領(lǐng)域的熱電偶連續測溫難題
熱電偶保護管雖然種類(lèi)繁多，技術(shù)成熟，但是，它們只能在常規場(chǎng)合使用，尚不能滿(mǎn)足許多特殊領(lǐng)域的要求。尤其是在高溫高腐蝕環(huán)境，由于熱電偶保護管的使用壽命問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決，在許多領(lǐng)域連續測溫成為難題，主要有以下幾個(gè)行業(yè)：
①鋁電解槽連續測量
鋁電解槽溫度的連續測量，對于實(shí)時(shí)監控電解槽運行狀況，對其運行狀況進(jìn)行綜合分析，并加以控制，從而使電解槽各項技術(shù)指標達到zui佳值，具有重要意義。然而，鋁電解槽的連續測溫是一個(gè)國際性難題。主要原因有兩個(gè)：一是電解槽內電解質(zhì)對保護管有很強的腐蝕性；二是電解槽內部溫度高，正常溫度940-970℃之間。出現效應時(shí)可達1000-1200℃。所以目前工廠(chǎng)普遍采用間斷測溫法。
②滲碳爐溫度測量
③銅冶煉過(guò)程中的熔體連續測溫仍在研究
銅液的連續測溫通常采用金屬陶瓷保護管，表面加保護涂層。
④高溫流動(dòng)粉體的溫度測量
對于輸煤系統、流化床、水泥熟料、耐火材料等流動(dòng)粉體的溫度測量，由于流動(dòng)粉體對保護管磨損及腐蝕均很?chē)乐?。目前對低?00℃的流動(dòng)粉體，可采用高強度鋼或表面改性技術(shù)，噴涂WC或Ni-Cr-B，其硬度可達到6070(HRe)。如果常溫在1000℃左右，可采用鈷基合金保護管。該保護管具有優(yōu)異的耐熱沖擊、耐磨性能及高溫強度，對硫化物及釩良好的耐蝕性，但價(jià)格昂貴。
⑤超高溫真空爐連續測溫
⑥高溫鹽浴爐連續測溫
⑦鋼水連續測溫
鋼水溫度高達1600℃以上，鋼水和渣液對熱電偶保護管有很強的侵蝕作用，熱電偶保護管由環(huán)境溫度下進(jìn)入鋼水時(shí)要經(jīng)受巨大的熱沖擊和沖刷應力，使鋼水連續測溫成為國際性難題，一直沒(méi)有進(jìn)展。

針對上述課題，我國科研工作者長(cháng)期在為之奮斗。據筆者所知，科研院所及大學(xué)的精密陶瓷實(shí)驗室、材料系等有關(guān)部門(mén)，都希望借助于新材料新工藝，研制使用壽命長(cháng)、性?xún)r(jià)比高的新型保護管。熱電偶保護管的壽命問(wèn)題一旦得到突破，特殊領(lǐng)域的連續測溫難題就會(huì )迎刃而解。保護管選型請移步至“”選型頁(yè)面。
作者：中國航天科技集團701所蔡捷偉

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