Высокотемпературная термопара и способ ее изготовления

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сеез Соеетскик

Социалистическими

Реапубпик оц1000784 (61) дополнительное к авт. саид-ву— (22) Зеявлеио 280981 (2t) 33466 Зб/18-10 (51) М. Кл.з

G 01 К 7/02 сприсоединениемзаявки ¹â€”

Государственный комнтет

СССР но делам нзобретеннй н открытнй (23) Приоритет(53) УДК 536 532 (088.8) Опубликоваио 2802,83. Бюллетень № 8 (Дате опубликования описания 280283

С.И. Кац, В. Н. Богин, Н. Г. Чубенко, A.À. Поска фЩ н М.С. Сергеев

" - -..л (72) Авторы изобретения (71 ) Заявитель (54) ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРИОПАРА

И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретенйе относится к измерениям высоких температур в восстановительных и окислительных 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 сое,диненные в спай термоэлектроды из тугоплавких соединений н графита(1).

Известная термопара недостаточно . надежна прй длительной эксплуатации, которая приводит к изменению ее электрических-свойств.

Известна термопара, содержащая один термбэлектрод иэ хромеля, а другой — из алюмеля (2 ).

Указанная термопара устойчиво работает в окислительной и нейтральной среде при температуре на выше

900, но в восстановительной среде уже при температуре 1000 меняет первоначальную градуировку в сторону завышения термо-ЭДС.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является высокотемпературная термопара, содержащая соединенные s спай термоэлек-. троды иэ разнородными металлов, электроизоляцию иэ окисла н защитную оболочку, уплотненные в единую конструкцию (4 .

Известен способ изготовления

5 слоистой металлокерамической конструкции, включающий изготовление поверхностного слоя из водной пасты окислов со связующим из 810 р формование нескольких окиснометаллических слоев, расположенных на поверхностном слое, формование последнего металлического хромосодержащего слоя, прессование и обжиг собранных слоев (3).

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

2О технологического процесса.

Наиболее близким к преддагаемому по технической сущности является способ изготовления. высокотемпературной термопары, включающий сборку электродов, изоляции и защитной оболочки и уплотнение кх в -единую кон-. струкцию (4).

Цель изобретения — повышение надежности термопары путем обеспечения стойкости в восстановительных и окислительных средах.

1000784

Высокотемпературная термопара (фиг. 2 ) содержит термоэлектроды 1 60 и 2 в виде слоев ниобия (Nb ) и молибдена (Мо ), между которыми расположены слои изоляции 3 из окиси иттрия {Y20 ), снаружи электроды защищены многослойной оболочкой из 65

Указаниая цель достигается тем, что в устройстве термоэлектроды выполнены в виде слоев тугоплавких металлов, между которыми расположены слои электроизоляции, с толщиной каждого слоя, равной 2-5 толщинам слоя термозлектрода, а защитная оболочка выполнена в виде слоев окисла, толщина каждого из которых равна

2-10 толщинам слоя термоэлектрода.

В защитную оболочку термопары введены слои тугоплавкoro металла, расположенные между слоями оболочки и имеющие каждый толщину, равную

0,2-1,Ю:толщины слоя защитной оболочки 15

Один из выводов термопары соединен с металлическим слоем защитной оболочки.

5. казанная цель достигается тем, что в способе изготовления высокотемпературной термопары сначала собирают пакет из металлических и окисных пленок, изготовленных из высокодисперсных порошков;металла и окисла с одинаковым содержанием одного и того же связующего, при этом окисные пленки изоляции размещают между металлическими пленками, являющимися электродами термопары, и снаружи их, соединяют концы двух разнородных металлических пленок для образования рабочего спая, уплотняют пакет и термообрабатывают eio до спекания и удаления -связующего. .В качестве связующего используют бензино-ацетоновый раствор каучука.

На фиг. 1-3 приведены конструкции высокотемпературной термопары.

Высокотемпературная термопара (фиг. 1 ) содержит термоэлектроды 1 и 2 в виде слоев ниобия (Nb ) и мо- 40 либдена (Мо ) соответственно, между которыми расположены несколько слоев изоляции 3 из окиси гафния (Н ГО ), может быть и адин слой. Снаружи термоэлектроды 1 и 2 защищены много- 4 слойной оболочкой 4 также из слоев

Hf .

Термоэлектроды могут быть выполнены шириной от 2 до 10 мм и толщиной от 10 до 300 мкм, слои межэлектродной изоляций — толщиной от

10 до 500 мкм, а защитная оболочка может содержать от 1 до 20 слоев окисла толщиной от 50 до 200 мкм ка»:— дый.

Конкретная конструкция имеет толщину электрбдов после спекания

100 мкм. чередующихся слоев Y ОЗ и Мо 4 и 5 соответственно. Электроды 1 и 2 соединены в спай 6.

Конкретная конструкция имеет толщину электродов после спекания

40 мкм и ширину 10 мм, слои межэлектродной изоляции из У О> и внешней оболочки из У>0> имеют толщину 40 мкм.

Высокотемпературная термопара (фиг. 3) содержит электрод 1 в виде слоя вольфрама (W ) и многослойную оболочку иэ чередующихся слоев 4 и 5, выполненных из У<0> 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 термо— обрабатывают его.

Пример. Для изготовления термопары отливают пленки из МЬ, Мо и

Y 0> толщиной по 140 мкм. Для литья пленок готовят суспензии тонкодисперсных порошков Nb Ио и Y Оз с каучуковым связующим (5%-ым раствором каучука СКН-26 в смеси бензина и ацетона ). Иэ пленок Nb и Мо вырезают полоски шириной около 10 мм, между которыми помещают по две полоски такой же ширины, вырезанные иэ пленки Y 0 . Полоски собирают в пакеты и прокатывают их в валках до толщины, равной 160 мкм. При:этом пленочные слои утоньшают до 40-45 мкм.

Отдельно готовят пакет из пяти полосок пленки Y 0, переложенных четырьмя полосками из пленки Мо. Пакет прокатывают с уменьшением толщины каждого слоя также до 40-45 мкм, иэ 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 2000 С с выдержкой 1 ч.

Для предотвращения коробления термопару при обжиге помещают в молибденовую трубку.

Испытания четырех опытных образцов предлагаемой высокотемпературной термопары проводят на воздухе путем косвенного нагрева через промежуточный нагреватель (из силицированного графита ), при кратковременных выдержках (1-5 мин. ) до 2000 С. При испытаниях показания термоцары контро1000784 лируют эталонным оптическим пирометром ЗП-62, сфокусированным непосредственно на горячий спай термопары.

После испытаний на воздухе в течение 3,5 ч показания термопар не изменяются.

Существенной особенностью предлагаемого способа изготовления высокотемпературной термопары является использование металлических и окисных пленок, содержащих одинаковое количество .одного и того же связующего, а наполнители которых подобраны так, что обеспечивается синхрон-ная усадка окисных 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 бенэино-ацетонового раствора каучука, обладающего рядом преимуществ по сравнению с водными пастами, латексами, фенольными смолами и другими связующими, применяемыми в известных способах изготовления многослойных композитов. Усадка пленок на каучуковом связующем не превышает 6-9%, т.е. вдвое меньше, чем в случае использования в качестве связующего поливинилбутираля (до 16-18% ).

Предлагаемое изобретение позволя— ет обеспечить длительную стойкость термопары в восстановительных и окислительных средах при 2200-2300 С благодаря применению многослойной металлокерамической оболочки из слоев тугоплавких металлов и окислов с высокой термостойкостью, эрозионной и корозионной стойкостью, повышение надежности и срока службы благодаря высокой термостойкости, ударной вязкости и прочности многослойной композиции; упрощение технологии изготовления термопары,. благодаря формованию ее из пластифицированных металлических и окисных пленок и совместному их .спеканию.

Формула изобретения

Высокотемпературные термопарЫ.М., 60 "Металлургйя", 1977, с. 191-193 (прототнн ).

1. Высокотемпературная термопара, содержащая соединенные в спай термоэлектроды из разнородных металлов, электроизоляцию из окисла и защитную оболочку, уплотненные в единую конструкцию, о т л и ч а ю щ а я— с я тем, что, с целью повышения надежности термопары путем обеспече5 0 t5

45 ния стойкости в востановительных и окислительных средах, термоэлектроды выполнены в виде слоев туголлавких металлов, между которыми расположены слои злектроиэоляции 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 л и ч а ю щ а я с я тем, что в ее защитную оболочку введены слои .тугоплавкого металла, расположенные меж.— ду слоями оболочки и имеющие каждый толщину, равную 0,2-1,0 толщины слоя защитной оболочки.

3. Термопара по пп.1 и 2, о т л и— ч а ю щ а ю щ а я с я тем, что один из выводов термопары соединен с металлическим слоем защитной оболочки.

4. Способ изготовления высокотемпературной термопары, включающий сборку электродов, изоляции и защитной оболочки и уплотнение их в единую конструкцию, о т л и ч а ю.шийся тем, что сначала собирают пакет из металлических и окисных пленок, изготовленных из высокодисперсных порсшков металла и окисла с одинаковым содержанием одного и того же связующего, при этом окисные пленки изоляции размещают между металлическими пленками, являющими-ся электродами 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, о т л и ч а ю— шийся тем, что в качестве связующего используют бензино-ацетоновый раствор каучука.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Самсонов Г.В. Термопары с термоэлектродами из тугоплавких соединений для контактного измерения высоких температур. M., 1962, с. 7-8.

2 ° Данишевский,С.К., Сведе-Швец Н.И,.

Высокотемпературные термопары. N., "Металлургия", 1977, с. 50-51.

3. Патент США Р 3975165, .кл. 29-182.2, 1976.

4. Данишевский С.К.,Сведе-Швец Н.И.

2000784

Составитель Г. Мухина

Редактор М, Янович Техред Т.Маточка Корректор В. Бутяга

Заказ 1361/40 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

213035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4