本文在國內外眾多學者研究的基礎上，綜述工業用鎧裝熱電偶技術研究現狀，以貴、廉金屬鎧裝熱電偶為研究對象，分析工藝參數對其使用壽命和測溫性能的影響，探討鎧裝熱電偶中存在的問題并闡述其重點研究方向，以期為鎧裝熱電偶的高性能/輕量化制造提供理論依據。
1、貴金屬鎧裝熱電偶技術
1.1 貴金屬鎧裝熱電偶工藝研究
近年來隨著航空航天、石化礦冶等工業領域的快速發展，貴金屬鎧裝熱電偶的應用越發廣泛，獨特的內在結構和偶絲材質使其具備優秀的穩定性及高溫測量能力，如采用PtRh10作為導線材料，可在氧化性氣氛、真空和中性氣氛中工作達1300℃，是1000～1600℃溫區內應用最廣泛的鎧裝熱電偶。但值得注意的是，在設計和研制時需考慮貴金屬偶絲、絕緣材料、套管間的物理性能是否匹配，避免膨脹系數差異過大而產生內、外應力，造成尺寸、晶粒組織變化，最終影響使用壽命和測量精度。根據熱端斷面結構不同，貴金屬鎧裝熱電偶可分為露端式、絕緣式、接殼式及帶阻滯室式，如圖1所示。實際生產中發現為保證產品優良的絕緣性能，絕緣式貴金屬鎧裝熱電偶工業應用最為廣泛。
圖1 貴金屬鎧裝熱電偶熱端結構形式
鎧裝熱電偶失效的主要形式為絕緣破壞，諸多學者對貴金屬鎧裝熱電偶的絕緣性能開展了卓有成效的研究。從工藝流程而言，各環節應保證清潔、干燥，工作端應進行封裝、包覆或絕緣點膠。從影響因素和質量改進等方面發現絕緣材料質量和形態是確保熱電偶優秀高溫絕緣性能的首要條件，若將其由粉末狀燒結成管狀絕緣電阻能提高近10倍。但當絕緣材料為氧化鎂時，由于其吸濕性很強，潮氣易殘留在鎧材內，導致絕緣性能下降。因此封裝過程中應在測量端保留排氣孔，利用燃燒爐加熱烘烤，同時用兆歐表反復測量絕緣電阻，當其達到技術要求時，訊速用點焊封死。此外，由于偶絲位于套管內部，通過肉眼難以準確辨識工作端位置，故熱電偶在使用和校準過程中必然存在測量誤差，X射線探傷技術不僅能解決此類難題，還能對焊接質量進行檢查，為指導貴金屬鎧裝熱電偶焊接成形提供了一定的理論依據。
1.2 貴金屬鎧裝熱電偶測溫性能
國內外學者對貴金屬鎧裝熱電偶測溫性能研究主要集中在高溫絕緣性能控制、測溫精度影響因素及電勢衰減機理上，張立新等對某航空用貴金屬鎧裝熱電偶進行了分析，結果表明產品使用溫度可達1500℃，精度達到±0.25%t，高溫絕緣性能較好，但遺憾的是并未探明此性能提升的原因。研究發現隨著偶絲直徑減小，絕緣電阻降低，熱電動勢逐漸減小，將產生分流誤差，同時對比后發現K型鎧裝熱電偶比S型鎧裝熱電偶更易產生分流誤差。由此可見，通過控制偶絲材質及直徑可以實現對鎧裝熱電偶高溫條件下的測溫精度控制，這與結論有所差別。隨著使用時間推移，熱電動勢值的測量溫度與實際溫度的明顯偏差即為電勢衰減。熊雅玲等對Pt-13Rh/Pt鎧裝熱電偶在高溫環境下熱電動勢衰減機理進行了深入研究，圖2所示為Φ1.0的R型鎧裝熱電偶絲竹節區SEM形貌。由圖可以看出竹節區表面為凹凸不平的溝槽狀蝕溝形貌，說明在高溫氧化性環境中偶絲揮發出氣相Pt-Rh并最終沉積于瓷珠表面，使得實際測溫點向低溫區轉移，絕緣電阻降低，最終導致電勢衰減。
圖2 Φ1.0的R型鎧裝熱電偶絲竹節區SEM形貌
迄今為止，貴金屬鎧裝熱電偶研究大部分集中在過程工藝、測溫精度控制兩方面，針對其偶絲材質的不均勻性研究非常有限。然而，偶絲的不均勻性是反映產品質量和工藝穩定性的重要指標，對于同樣待測溫度會因為長度方向上塞貝克系數的差異而產生不同的熱電動勢，最終影響測量精度。因此，下一步工作需對此類問題進行重點研究。
2、廉金屬鎧裝熱電偶技術
2.1 廉金屬鎧裝熱電偶工藝研究
近年來，隨著如鉑/銠等貴金屬價格的不斷上漲，有關廉金屬鎧裝熱電偶的研究與應用引起了世界各國注意。廉金屬鎧裝熱電偶整體形貌如圖3所示，與貴金屬鎧裝熱電偶相比，其靈敏度更高，成本更低廉，可低溫工作，逐漸成為火電化工、大型裂解爐及核反應堆等重大裝備制造領域應用最廣泛的鎧裝熱電偶。K型鎧裝熱電偶具有使用溫度范圍廣、塞貝克系數大、靈敏度高、抗氧化性能優異等特點，是目前工業市場用量最大的廉金屬鎧裝熱電偶。
圖3 廉金屬鎧裝熱電偶
響應時間是反映溫度傳感器動態特性的重要參數，是近10年來的重點研究內容。實驗研究表明，采用熱管法可有效解決數據采集復雜，測試精度不足的問題。保護套管在高溫條件下會影響廉金屬偶絲的有效熱交換，使動態誤差進一步增大。構建動態補償模型具有成本低、效果好、易實現的優點，能有效改善上述情況。王志超等提出了一種新的動態補償模型設計方法，研究發現使用該模型時間常數可減小至1.91s，工作頻率可拓寬至1.56Hz。在此基礎之上，劉波等利用數值模擬技術分析發現，隨著填充密實度增大，絕緣層熱導率增大，熱電偶響應速度加快，這為動態特性的工藝設計、校準提供了一種新思路。由于鎧材在拉撥過程中添加了有機潤滑劑，使得熱處理過程中易出現致密黑色氧化皮，導致產品外觀劣化。研究發現通過酸洗+拋光工藝可有效去除氧化皮，并對比分析了不同酸洗方法對熱電勢的影響，為鎧裝熱電偶外觀養護、檢修提供了理論依據與實踐指導。圖4為某焦爐用K型鎧裝熱電偶鎳鉻絲、鎳硅絲的熱端斷口形貌，由圖可以觀察到各斷口均存在嚴重氧化現象，鎳鉻絲斷口呈明顯河流花樣狀，為解理斷裂，鎳硅絲斷口存在明顯粗大晶粒和晶界開裂現象，為沿晶斷裂，各向測試結果綜合表明鎳鉻端發生了擇優氧化，造成鎳硅端過熱，組織粗大，最終導致偶絲斷裂，并認為合理選擇熱電偶工藝，采用較小的長徑比及盡量避免介質介入和氧化皮產生可有效避免此類問題。此外，為避免套管出現銹蝕、爆裂等情況，在研制時應使外套管材質與外殼材質盡量一致，裝配時選用鋼絲綁扎，安裝時避免彎折。若套管內壁存在凹坑或嵌入了氧化鎂，則內壁易遭受較大應力而出現成分偏析，導致套管斷裂。與此同時，王京慧、葉丹等重點介紹了廉金屬鎧裝熱電偶的加工工藝規范，結構特點及注意事項，為后續的精度控制試驗和工業應用提供了可靠的理論依據。
圖4 不同熱端斷口形貌
2.2 廉金屬鎧裝熱電偶測溫性能
電勢漂移是指熱電偶在使用過程中由于溫度梯度而引起的電勢變化。近年來，諸多學者對廉金屬鎧裝熱電偶電勢漂移方面進行了大量研究，Chen等研究發現電勢漂移主要由可逆和不可逆2種變化組成，通過高劑量輻照后熱電動勢顯著增大，在400℃時最高漂移可達+173μV。肖琳等成功試制出某高溫合金/高性能偶絲的鎧裝熱電偶，試驗表明其高溫穩定性大大提高，在850℃和1000h條件下，熱電勢變化不超過±5℃。圖5所示為1000℃下保護套管材質為316不銹鋼、2520不銹鋼以及GH3039合金的熱電偶電勢變化情況，由圖5可以看出，保護套管為GH3039的熱電偶使用壽命最短，電勢漂移最高可達470μV；進一步分析表明，保護套管為2520不銹鋼的熱電偶使用壽命最長，能連續工作270h且電勢漂移較低。可見，通過選擇更高質量的保護套管能有效降低電勢漂移。此外，當材料成分、加工工藝或檢測方法不當時都易導致廉金屬鎧裝熱電偶的測溫偏差，研究提出了提高測溫精度的方法：①選用純凈度、均勻性高的偶絲；②壓實絕緣物，避免在惰性氣體中使用；③合理制定熱處理工藝和測試方法。
圖5 1000℃下不同護套材料熱電偶電勢變化
綜上所述，通過分析動態響應、電勢漂移等方面對廉金屬鎧裝熱電偶測溫性能的影響，提出了改進其測溫精度的措施與方法，一方面可利用ANASY等數值模擬軟件詳細分析測溫過程變化，另一方面可進行線掃描分析等科學實驗表征測溫精度與宏觀工藝參數間的定量關系。但仍存在一些不足，如廉金屬鎧裝熱電偶熱端既要焊牢又不過燒，對操作者技術要求很高，尤其是某些核場、軍工用的高性能熱電偶。因此，對用戶而言，工作端質量必須嚴格進行入廠檢測，不合格產品必須放棄。對生產廠家而言，測量端必須科學選材、制定合理裝配工藝以便更好地制造出高壽命、高精度產品。
3、鎧裝熱電偶技術發展趨勢
近年來，隨著車輛工程、能源工程、熱工自動檢測等工業領域的快速發展，鎧裝熱電偶的應用得到全面提升，其用量大，用途廣，壽命長。國內外學者從工藝方法、動態響應特征、高溫絕緣特性等多方面進行了詳細闡述，取得了諸多有益成果。然而，隨著鎧裝熱電偶向著高性能、高壽命和輕量化的逐步發展，對其低成本制造，多區域測溫和高測量精度提出了更高要求。新型單管多點式鎧裝熱電偶結構如圖6所示，作為一種能同時檢測多個溫度點的測溫傳感器，其相比傳統鎧裝熱電偶具有如下優點：①分布靈活，測溫點多。外保護套管內最高能集成30個測溫點，能更全面地反映工件內部溫度和底部靠近出口及頂部靠近入口溫度；②響應時間快，測量精度高。由于外保護管壁厚多為1.5～3.0mm，其熱傳導效果更好，能有效減少溫度測量的滯后性；③密封性好，安全性高。采用二級密封技術，若第一級密封泄漏，產品不僅能繼續工作，還能通過壓力指示儀立即檢測出泄漏處以便及時維護；④安裝更換便攜靈活。產品可根據用戶需求定制，各長度可調，能從反應器頂部、底部或側面安裝，無需額外加厚承壓外保護套管。當前，新型單管多點式鎧裝熱電偶的外保護套管多為奧氏體不銹鋼，若在還原性介質中工作測溫性能難以滿足用戶要求，在實際生產中可替換成熱傳導性更好、氣密性更高且耐高溫、耐腐蝕的石英套管，進行裝配效果會更佳。
圖6 新型單管多點式鎧裝熱電偶
新型單管多點式鎧裝熱電偶測溫效率高，安裝便捷，安全可靠，通過研究其工藝質量與測量精度控制，推進其工業化及輕量化生產，不僅能為全面準確反映工件多區域溫度變化提供一種高效率、低成本的生產方法，還能為類似單管多支式的鎧裝熱電偶技術提供理論依據，實現高性能、高精度及高壽命的控性/控形一體化制造。因此，未來鎧裝熱電偶技術還應就以上方面開展重點研究。
4、結語
鎧裝熱電偶由于獨特的內在結構，能充分保證耐腐蝕、耐高溫和高強度等性能，廣泛應用在光伏擴散爐、航空發動機燃燒室、核電反應堆等尖端領域。經過多年研究，已成功實現貴、廉金屬鎧裝熱電偶的工業化生產，前者是1000～1600℃內應用最廣泛的鎧裝熱電偶，具有精度高，穩定性好等特點；后者是工業領域應用最廣泛的鎧裝熱電偶，具有成本低，測溫區域寬等特點。該文在國內外眾多學者研究的基礎上綜述了工業用鎧裝熱電偶技術，根據偶絲材質不同，對貴金屬鎧裝熱電偶和廉金屬鎧裝熱電偶進行了詳細介紹，分析了工藝參數對其使用壽命和測溫性能的影響規律，探討了鎧裝熱電偶中存在的問題，并結合當前工業市場前景，基于多區域測溫需求，拓展了鎧裝熱電偶的重點研究方向，即大力推廣和發展新型單管多點式鎧裝熱電偶技術，通過單管多支的方式實現更高效集中，更低成本的的溫度測量，完善了鎧裝熱電偶的技術理論，為鎧裝熱電偶的“性”/“形”一體化制造提供了理論依據。
作者：王于金、袁鴻梵、鄧馨怡、薄新維、王小宇、何浩然、姚志遠、韓校宇
