Высокотемпературная термопара и способ ее изготовления Советский патент 1983 года по МПК G01K7/02 

(54) ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРМОПАРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерениям высоких температур в врсстановительных и окислительшлх средах в ди.апазоне температур до 2200-2300°С и может быть использовано в металлургии и химической технологии.

Известна термопара для измерения высоких температур, содержащая соединенные в спай термоэлектроды из тугоплавких соединений и графита 1.

Известная термопара недойтаточно надежна при длительной эксплуатации , которая приводит к изменению ее электрических-свойств. .

Известна термопара, содержащая один термозлектрод из хромеля, а другой - из алюмеля 121Указанная термопара устойчиво работает в окислительной и нейтральной среде при температуре на вьвае 900, но в восстановительной среде уже при температуре 1000 меняет первонамальную гргщуировку в сторону завышения термо-ЭДС.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является высокотемпературная термопара, содержащая соединенные в спай термозлек троды из разнородных метешлов, электроизоляцию из окисла и защитную

оболочку, уплотненные в единую конструкцию

Известен способ изготовления слоистой металлокерамической конструкции, включающий изготовление поверхностного слоя из водной пасты окислов со связующим из SiO-ij формование нескольких окиснометаллических слоев, расположенных на поверхност10ном слое, формование последнего металлического хромосодержащего слоя, прессование и обжиг собранных слоев З..

15

Недостатками указанного способа являются невозможность получения тонких слоев (50-100 мкм и менее), ограниченная их плотность и сложность технологического процесса.

20

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ изготовления высокотемпературной термопары, включающий сборку электродов, изоляции и защитной обо25лочки и уплотнение их в единую кон-, струкцию С43.

Цель изобретения - повышение надежности термопары путем обеспечения стойкости в восстановительных

30 и окислительных средах. Указанная цель достигается тем, что в устройстве термоэлектроды выполнены в виде слоев тугоплавких металлов, между которыми расположен слои электроизоляции, с толщиной каждого слоя, равной 2-5 толщинам слоя термоэлектрода, а защитная обо лочка выполнена в виде слоев окисла толщина каждого из которых равна 2-10 толщинам слоя термоэлектрода. В защитную оболочку термопары введены слои тугоплавкого метгшла, расположенные между слоями оболочки и имеющие каждый толщину, равную 0, 2-1 ,jO толщины слоя защитной оболочки .... Один из выводов термопары соединен с ме.таллическим слоем защитной оболочки.. Указанная цель достигается тем, что в способе-изготовления высоко темпёратурной термопары сначала собирают пакет из металлических и Ъки ных пленок, изготовленных из высоко дисперсных порошков-, металла и окисла с одинаковым содержанием одного и того же связующего, при этом окис ные пленки изоляции размещают между металлическими пленками, являющимися электродами термопары, и снаружи их, соединяют концы двух разнородны металлических пленок для образовани рабочего спая, уплотняют пакет и термообраб.атывают его до спекания и удаления связующего. лВ качестве связующего используют бензино-ацетоновый раствор каучука. Н.а фиг. 1-3 приведены конструкци высокотемпературной термопары. Высокотемпературная термопара (фиг. 1) содержит термоэлектроды 1 и 2 в виде слоев ниобия (Nb) и молибдена (Но ) соответственно, между которыми расположены несколько слоев изоляции 3 из окиси гафния (HfO может быть и один слой. Снаружи тер моэлектроды 1 и 2 защищены многослойной оболочкой 4 также из слоев Термрэлектроды могут быть выполнены шириной от 2 до 10 мм и толщиной от 10 до 300 мкм, слои межэлектродной изоляци14 - толщиной от 10 до 500 мкм, а защитная оболочка может содержать от 1 до 20 слоев окисла толщиной от 50 до 200 мкм ка дай. Конкретная конструкция имеет тол щину электрЬдов после спекания 100 мкм. Высокотемпературная термопара (фиг. 2 ) содержит термоэлектроды 1 и 2 в виде слоев ниобия (Nb ) и молибдена (Мо) , между которыми распо ложены слои изоляции 3 из окиси иттрия ( ), снаружи электроды защищены многослойной оболочкой из чередующихся слоев и Но 4 к 5 соответственно. Электроды 1 и 2 соединены в спая 6. Конкретная конструкция имеет толщину электродов после спекания 40 мкм и ширину 10 мм, слои межэлектродной изоляции из Y/j.0 и внешней оболочки из , имеют толщину 40 мкм. Высокотемпературная термопара (фиг. 3) содержит электрод 1 в виде слоя вольфрама (W) и многослойную оболочку из чередующихся слоев 4 и 5, выполненных из и Мо. Рабочий спай 6 термопары образован соединением вольфрамового слоя 1 и внутреннего молибденового слоя 2. Способ изготовления высокотемпературной термопары заключается в том, что окисные пленки размещают между металлическими пленками, являющимися электродами термопары, и снаружи, соединяют концы двух разнородных металлических пленок для образования рабого спая, уплотняют собранный из пленок пакет и термообрабатывают его. Пример. Для изготовления термопары отливают пленки из Nb, Мо и толщиной по 140 мкм. Для литья пленок готовят суспензии тонкодисперсных порсянков Nb, Мо и с каучуковым связующим (5%-ым раствором каучука СКН-26 в смеси бензина и ацето.на). Из пленок Nb и Мо вырезают полоски шириной около 10 мм, между которыми помещают по две полоски такой же ширины, вырезанные из пленки Yj Oj . Полоски собирают в пакеты и прокатывают их в валких до толщины, равной 160 мкм. При-этом пленочные слои утоньшают до 40-45 мкм. Отдельно готовят пакет из пяти полосок пленки , переложенных четырьмА полосками из пленки Мо. Пакет прокатывают с уменьшением толщины каждого слоя также до 40-45 мкм, из пакета вырезают полоску шириной 35 мм, которой оборачивают пакет термоэлектродов с межэлектродной изоляцией. Всю сборку затем прессуют в горизонтальной пресс-форме под давлением 4 т. и отдельно подпрессовуют термопару со стороны рабочего спая. После удаления связующего термопару спекают в вакуумной электропечи при с выдержкой 1 ч. Для. предотвращения коробления термопару при обжиге помещают в молибденовую трубку. Испытания четырех опытных образов предлагаемой йЬюокотемпературной ермопары проводят на воздухе путем косвенного нагрева через промежуточный нагреватель (из силицированного графита), при кратковременных выдержках (1-5 мин. ) до 2QOOC. При испыаниях показания термопары контролируют эталонным оптическим пиромет ром ЭП-62, сфокусированным непосред ственно на горячий спай термопары. После испытаний на воздухе в течение 3,5 ч показания термопар не изменяются. : Существенной особенностью предлагаемого способа изготовления высо котемпературной термопары является использование металлических и окисных пленок, содержащих одинаковое количество одного и того же связующего, а наполнители которых подобра ны так, что обеспечивается синхронная усадка окисиых и металлических слоев при обжиге. Плотно-прочное соединение слоев, их уплотнение и уменьшение толщины до 10-100 мкм достигается посредством прессования или прокатки многослойных пакетов в вальцах Другой важной особенностью способа является применение в качестве связующего бензино-ацетонового раствора каучука, обладающего рядом преимуществ по сравнению с водными пастами, латексами, фенольными смолами и другими связунадими, применяе мыми в известных способах изготовле ния многослойных композитов. Усадка пленок на каучуковом связующем не превышает 6-9%, т.е. вдвое меньше, чем в случае использования в качест ве связующего поливинилбутираля (до 16-18% ). Предлагаемое изобретение позволя ет обеспечить длительную стойкость термопары в восстановительных и оки лительных средах при 2200-2300 С благодаря применению многослойной металлокерамической оболочки из ело ев тугоплавких йеталлов и окислов с высокой термостойкостью, эрозионной и корозионной стойкостью/ повышение надежности и срока службы бла годаря высокой термостойкости, удар ной вязкости и прочности многослойной композицииJ упрощение технологии изготовления термопарыг. благода ря формованию ее из пластифицирован ных металлических и окисных пленок и совместному ихспеканию. Формула изобретения 1. Высокотемпературная термопара содержащая соединенные в спай термоэлектроды из разнородных металлов электроизоляцию из окисла и защитную оболочку, уплотненные в единую конструкцию, отличающаяс я тем, что, с целью повышения на дежности термопары путем обеспечения стойкости в востановительных и окислительных средах, термоэлектроды выполнены в виде слоев тугоплавких металлов, между которыми расположены слои электроизоляции с толщиной каждого слоя, равной 2-5 толщинам слоя термоэлектрода, а защитная оболочка выполнена в виде слоев окисла, толщина каждого из которых равна 2-10 толщинам слоя термоэлектрода, . 2.Термопара по п.1, о т ли чающаяся тем, что в ее защитную оболочку введены слои .тугоплавкого металла, расположенные между слоями оболочки и имеющие каждый толщину, равную 0,2-1,0 толпданы слоя защитной оболочки. 3.Термопара по ПП.1 и 2, о т л ичающающаяся тем, что один из выводов термопары соединен с металлическим слоем защитной оболочки,. . 4.Способ изготовления высокотемпературной термопары, включающий сборкуэлектродов, изоляции и заидатной оболочки и уплотнение ях в единую конструкцию, отличаю-щ и и с я тем, что сначала собирают пакет из металлических и окисных пленок, изготовленных из высокодщсперсных порошков металла и окисла с одинаковым содержанием одного и того же связующего, при этом окисные пленки изоляции размещают между металлическими пленками, являющимися электропечами термопары, и снаружи их, соединяют концы двух разнородных металлических пленок для образования рабочего спая, уплотняют пакет и термообрабатывают его до спекания и удаления связующего. 5.Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве связукйцего используюу бензино-ацетоновый раствор каучука. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Самсонов Г.В. Термопары с тёрмоэлектродами из тугоплавких соединений для контактного измерения высоких температур. М., 1962, с. 7-8. 2. Данишевский ,С. К., Сведе-Швец Н. И.. Высокотемпературные термопары. М., .Металлургия, 1977, с. 50-51. 3.Патент США 3975165, кл. 29-182.2, 1976. 4.Данишевс.кий С.К.,Сведе-Швец Н.И. Высокотемпературные термопары.М., Металлургия, 1977, с. 191-193 (проТОТ П К

/ -5

фиг.