熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測溫傳感器。而熱電偶的長期穩(wěn)定性、使用壽命等各項(xiàng)性能指標(biāo)，都與熱電偶保護(hù)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(hù)管材料的性能。因此，本文將詳細(xì)介紹各種熱電偶保護(hù)管的材料、性能和選用，以供技術(shù)人員參考。
隨著自動化程度的不斷提高，溫度的測量涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研、醫(yī)療、衛(wèi)生、環(huán)保、氣象以及宇航等部門。熱電偶因其性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍廣、信號可遠(yuǎn)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(yīng)用最廣泛的感溫元件。而熱電偶的長期穩(wěn)定性、使用壽命等各項(xiàng)性能指標(biāo)，都與保護(hù)管密切相關(guān)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱電偶在正常的測量范圍內(nèi)，其損壞率的高低直接取決于保護(hù)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(hù)管，是延長熱電偶使用壽命的前提。
1、熱電偶保護(hù)管的作用
熱電偶保護(hù)管主要有兩種用途，一是防止遭受機(jī)械損壞；二是保護(hù)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最佳氣氛中。因此熱電偶必須加以保護(hù)，使之不受不良?xì)夥盏那趾Α?
2、熱電偶保護(hù)管使用場合
熱電偶在以下幾種介質(zhì)中使用必須用熱電偶保護(hù)管將熱電偶測量電極與介質(zhì)隔絕：
①當(dāng)與熱電偶接觸會改變熱電偶化學(xué)成分的各種金屬(固體、液體、氣體)；
②會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(hù)管通常為單保護(hù)管，在某些特殊情況下，可采用兩個同心安裝的保護(hù)管。接近熱電偶的稱為主保護(hù)管，外面的保護(hù)管叫輔助保護(hù)管。通常采用氧化鋁管為主保護(hù)管，碳化硅管為輔助保護(hù)管套構(gòu)成組合保護(hù)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(jī)械損傷等作用。
3、理想的熱電偶保護(hù)管性能
①耐高溫：在熱電偶溫度測量上限使用，不應(yīng)產(chǎn)生變質(zhì)和變形，在高溫下抗氧化性能好。
②耐腐蝕：當(dāng)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，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(hù)管內(nèi)部，使感溫元件損壞或變質(zhì)。
④導(dǎo)熱性好：具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，時間常數(shù)小。
⑤有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和一定的耐溫劇變的性能。
⑥物理、化學(xué)性能穩(wěn)定：在長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價格低廉。
4、熱電偶保護(hù)管分類
熱電偶保護(hù)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(hù)管機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、應(yīng)用非常廣泛；非金屬熱電偶保護(hù)管多在1000℃以上溫度測量時采用，耐熱性能好，震性差、導(dǎo)熱性差；用粉末冶金的方法制成金屬陶瓷保護(hù)管，既有耐高溫的性能又有較好的機(jī)械強(qiáng)度，有很好的應(yīng)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(hù)管需要考慮的因素
理想的熱電偶保護(hù)管是不存在的，但各種材質(zhì)的熱電偶保護(hù)管有各自的特點(diǎn)。選擇熱電偶保護(hù)管時，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(xì)、壁厚、長短、氣密性、抗熱沖擊、化學(xué)適應(yīng)性、承受壓力、應(yīng)力、響應(yīng)速度、性價比如何。我們可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的保護(hù)管材料。熱電偶保護(hù)管的選取原則是：根據(jù)技術(shù)指標(biāo)結(jié)合實(shí)際情況，來選擇方案。在實(shí)際工作中，大家可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、熱電偶廠家選用指南手冊，快速地選取熱電偶保護(hù)管材料。在使用這些資料時必須仔細(xì)注意各種特定的情況。
在測量高溫燃油、燃?xì)?、燃煤系統(tǒng)，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，都會遇到高溫和氧、硫、焦油、氧離子等對保護(hù)管的強(qiáng)烈浸蝕。除要求其能經(jīng)受高溫物理損傷，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(hù)管。主保護(hù)管使用的是一種以富鋁紅柱石為基礎(chǔ)添入某些添加劑的陶瓷，它具有機(jī)械和耐熱沖擊最好的綜合性能，上限溫度為1650℃。為輔助保護(hù)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(hù)套管使用，還能制成氮化物粘結(jié)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(qiáng)度。因此，在這類惡劣條件下測溫，對保護(hù)管的要求比較苛刻：在測溫范圍內(nèi)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(yīng)當(dāng)是致密的，不會產(chǎn)生被測介質(zhì)的任何滲漏以免損傷熱電極，材料導(dǎo)熱性能要好且易于加工制造。
6、熱電偶保護(hù)管材質(zhì)及用途
用戶或熱電偶廠家在選用熱電偶保護(hù)管材料時要兼顧使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。昌暉儀表《熱電偶保護(hù)管材料及使用場合》和《測量高溫的熱電偶該如何選用熱電偶保護(hù)管》文章中對熱電偶保護(hù)管應(yīng)用做了詳細(xì)說明，在此不再累述。
7、現(xiàn)階段特殊領(lǐng)域的熱電偶連續(xù)測溫難題
熱電偶保護(hù)管雖然種類繁多，技術(shù)成熟，但是，它們只能在常規(guī)場合使用，尚不能滿足許多特殊領(lǐng)域的要求。尤其是在高溫高腐蝕環(huán)境，由于熱電偶保護(hù)管的使用壽命問題沒有得到根本解決，在許多領(lǐng)域連續(xù)測溫成為難題，主要有以下幾個行業(yè)：
①鋁電解槽連續(xù)測量
鋁電解槽溫度的連續(xù)測量，對于實(shí)時監(jiān)控電解槽運(yùn)行狀況，對其運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合分析，并加以控制，從而使電解槽各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最佳值，具有重要意義。然而，鋁電解槽的連續(xù)測溫是一個國際性難題。主要原因有兩個：一是電解槽內(nèi)電解質(zhì)對保護(hù)管有很強(qiáng)的腐蝕性；二是電解槽內(nèi)部溫度高，正常溫度940-970℃之間。出現(xiàn)效應(yīng)時可達(dá)1000-1200℃。所以目前工廠普遍采用間斷測溫法。
②滲碳爐溫度測量
③銅冶煉過程中的熔體連續(xù)測溫仍在研究
銅液的連續(xù)測溫通常采用金屬陶瓷保護(hù)管，表面加保護(hù)涂層。
④高溫流動粉體的溫度測量
對于輸煤系統(tǒng)、流化床、水泥熟料、耐火材料等流動粉體的溫度測量，由于流動粉體對保護(hù)管磨損及腐蝕均很嚴(yán)重。目前對低于500℃的流動粉體，可采用高強(qiáng)度鋼或表面改性技術(shù)，噴涂WC或Ni-Cr-B，其硬度可達(dá)到6070(HRe)。如果常溫在1000℃左右，可采用鈷基合金保護(hù)管。該保護(hù)管具有優(yōu)異的耐熱沖擊、耐磨性能及高溫強(qiáng)度，對硫化物及釩良好的耐蝕性，但價格昂貴。
⑤超高溫真空爐連續(xù)測溫
⑥高溫鹽浴爐連續(xù)測溫
⑦鋼水連續(xù)測溫
鋼水溫度高達(dá)1600℃以上，鋼水和渣液對熱電偶保護(hù)管有很強(qiáng)的侵蝕作用，熱電偶保護(hù)管由環(huán)境溫度下進(jìn)入鋼水時要經(jīng)受巨大的熱沖擊和沖刷應(yīng)力，使鋼水連續(xù)測溫成為國際性難題，一直沒有進(jìn)展。
針對上述課題，我國科研工作者長期在為之奮斗。據(jù)筆者所知，科研院所及大學(xué)的精密陶瓷實(shí)驗(yàn)室、材料系等有關(guān)部門，都希望借助于新材料新工藝，研制使用壽命長、性價比高的新型保護(hù)管。熱電偶保護(hù)管的壽命問題一旦得到突破，特殊領(lǐng)域的連續(xù)測溫難題就會迎刃而解。保護(hù)管選型請移步至“溫度傳感器保護(hù)管”選型頁面 http://prosperiteweb.com/product/132.html。
作者：中國航天科技集團(tuán)701所 蔡捷偉
