1. 材料选择
贵金属材料:对于高温环境测量,常采用贵金属热电偶,如铂铑 - 铂(S 型、R 型)热电偶。铂和铑本身具有良好的抗氧化性,在高温氧化气氛下,它们能形成一层致密的氧化膜,阻止氧气进一步与内部金属反应,从而保护热电偶丝。例如,铂在高温下会形成铂的氧化物,这层氧化物比较稳定,能够防止金属的进一步氧化。
合金材料优化:一些特殊合金热电偶也被用于高温测量。这些合金在成分设计上考虑了抗氧化性能。比如,镍基合金热电偶(如 N 型),其合金成分中添加了铬、硅等元素。铬元素可以在合金表面形成稳定的 Cr₂O₃氧化膜,硅元素能够提高氧化膜的附着力和稳定性,从而增强热电偶的抗氧化性。
2. 保护管使用
陶瓷保护管:陶瓷材料具有良好的耐高温和抗氧化性能。例如,刚玉(Al₂O₃)陶瓷保护管,它的熔点很高(约 2050℃),在高温下化学性质稳定。将热电偶丝封装在刚玉陶瓷保护管内,可以有效地隔绝热电偶与高温氧化性气体的直接接触,起到保护作用。
复合保护管结构:有时候会采用复合结构的保护管。比如,内层为陶瓷材料,外层为金属套管(如不锈钢)。金属套管可以提供一定的机械强度,防止陶瓷保护管在高温环境下因热应力等因素而破裂。同时,陶瓷内层保护热电偶不受氧化气氛的侵蚀。
3. 涂层技术
高温抗氧化涂层:在热电偶丝表面涂覆高温抗氧化涂层是提高抗氧化性的有效方法。例如,一些陶瓷涂层(如 ZrO₂涂层)可以在高温下形成稳定的保护膜。这种涂层可以通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)等方法制备。涂层的存在能够阻止氧气与热电偶丝的接触,并且在一定程度上可以反射热量,减轻热电偶丝的热负荷,提高热稳定性。
4. 结构设计优化
减少热应力影响:在热电偶的结构设计上,考虑到高温下的热应力问题。例如,采用双孔或多孔的保护管结构,使热电偶丝有一定的伸缩空间,避免因热膨胀系数不同而产生过大的热应力,从而提高热电偶的热稳定性。
密封设计:确保热电偶的密封良好,防止氧化性气体从接口等部位进入保护管内部。例如,采用特殊的密封材料和密封工艺,如高温密封胶或金属密封垫圈,将保护管两端密封好,使热电偶丝处于相对稳定的内部环境中。