航空用贵金属套管铠装热电偶

一、前言
       1957年一种类似于电缆的热电偶，将偶丝、绝缘材料和金属套管三者经旋锻或拉拔而制成可绕的组合体，称之为铠装热电偶。与装配式热电偶相比，铠装热电偶体积小、重量轻、可绕性好，而且机械强度高，耐冲击、振动、地震等，适用于高温、高压、冲击、振动等环境。根据铠装体内部偶丝芯线材料，主要有贵金属铠装热电偶和廉金属铠装热电偶两类。
       1999年，我国制订了《JB/T8901贵金属铠装热电偶电缆》标准，以GH3030、GH3039等高温合金作为外套管材料，使用上限温度为1100℃，精度等级除Ⅰ、Ⅱ级外，专门增加了P（普通）级，允差为0.5%t，且对其稳定性未做要求。在高温下，廉金属外套管中部分元素向贵金属热电极扩散，改变贵金属偶丝的成分，导致热电势漂移，引起测量误差[1]，精度难以保持，稳定性不理想，使用温度上限与廉金属铠装热电偶相比优势不明显。高温合金系列外套管的贵金属铠装热电偶的推广应用受到限制。
针对航空领域高可靠使用要求，采用铂铑合金作为外套管材料，参考了双支式贵金属套管铠装热电偶，在选材、工艺以及精度、长期稳定性等方面开展研究和验证。
二、材料选择
       贵金属套管铠装热电偶由贵金属外套管、贵金属热电偶丝、绝缘材料三部分组成。在铠装热电偶除了套管材料的高温强度，通常还要考虑三种材料的物理匹配性，避免使用过程中三种材料的膨胀系数差异过大，受热产生内应力，引起测量误差。由于外套管及热电极均为铂铑材料，不存在化学兼容性问题[1]。铂及铂合金是理想的套管材料。纯铂在高温下强度较低，易受自身重量或高温冲击、振动而致损坏，在铂中添加铑元素可以提高材料的高温强度和抗温度冲击能力。通常含铑量低的铂铑合金在大气中可使用到1500℃，Rh质量分数大于20%的铂铑合金在大气中可使用到1700℃[2]。从表1各种偶丝、保护套管材料、绝缘材料的膨胀率与温度关系[3]中可以看出，PtRh20与Pt、PtRh13以及MgO的热膨胀匹配性较好。为保证热电偶工作温度、高温强度、材料匹配等要求，同时兼顾拉拔减径的工艺要求，选用PtRh20合金作为外套管材料，高纯电熔MgO作为绝缘材料，PtRh13-Pt（R型）偶丝作为热电极，偶丝精度、不均匀电动势满足GB/T1598中Ⅱ级精度要求。

三、工艺控制
       为确保贵金属套管铠装热电偶精度及稳定性，套管及偶丝均经过严格清洗；采用控制烧结温度，以获得合适的氧化镁绝缘柱硬度，避免因过硬，在拉制过程中压伤贵金属偶丝；因硬度过低，组装时造成绝缘柱缺损。根据PtRh20合金的抗拉强度与加工率、退火温度与抗拉强度的关系[4]，以及表2外套管、偶丝的延伸率等，优化制备工艺。
四、性能验证
1、尺寸
       贵金属套管铠装热电偶尺寸、横截面形貌分别见表3和图1。通过严格控制原材料尺寸及制造工艺，贵金属套管铠装热电偶的壁厚、绝缘层厚度、偶丝尺寸较为均匀，分布合理。
2、分度
       对3支贵金属套管铠装热电偶的热电势精度进行测量，装炉时通过焊接前热接点位置的标注，确保标准偶热接点与铠装热偶内部热接点处于同一径向截面上，减少测量端位置不正确对校准结果带来的影响[5]，检定结果见表4。偏差均小于±0.25%t的Ⅱ级精度允差要求。
3、长期稳定性
       将贵金属套管铠装热电偶样品在1100℃±50℃进行250h稳定性试验，并分别在100h、200h、250h对1084.62℃温度点对热电势检测，检测结果见表5。试验前后热电势最大变化为1.31℃。其稳定性优于GB/T30429-2013工业热电偶[6]对装配式贵金属热电偶热电势变化不大于1.5℃或0.0025tmax的稳定性要求。

4、压实密度

其中，
W16—浸泡前重量（mg）
W27—浸泡后重量（mg）
W38—去粉后重量（mg）
D23—吸收液密度=870mg/cm3
D24—氧化镁密度=3580mg/cm3
       经检测，贵金属套管铠装热电偶氧化镁压实密度为2889mg/cm3，大于氧化镁理论压实密度的80%，高于协议规定的2506mg/cm3的要求。
5、高温绝缘电阻
       将贵金属套管铠装热电偶插入热电偶检定炉中，插入深度300mm，炉温升至1000℃±20℃，恒温10分钟，试验电压250V，结果见表6。

试验结果满足协议要求。
       根据参考文献，绝缘电阻为0.1MΩ，将引入0.04%的热电势误差[8]。贵金属套管铠装热电偶在1000℃，高温绝缘电阻均大于0.10MΩ，引入的热电势误差小于0.04%，与精度要求的0.25%t相比，高温绝缘电阻带来的误差可以忽略。
6、1500℃热电势检定

1500℃热电势检定结果见表7，试验表明可满足2级精度要求。
五、结论
       采用PtRh20合金外套管的铠装热电偶克服了高温合金外管贵金属热电偶稳定性差，使用温度受限等不足。重庆材料研究院的贵金属套管铠装热电偶材料匹配性好，精度达到±0.25%t；在1100℃、250h稳定性试验后，热电势漂移小于1.5℃；套管内绝缘材料压实密度、高温绝缘电阻性能良好，可满足航空领域高性能要求。