一种基于热丝法的加热及测温电极

技术领域

本发明涉及热丝法加热装置使用的电极领域，尤其涉及一种基于热丝法的加热及测温电极，该电极同时具有加热和测温的功能。

背景技术

20世纪50年代，文献“1.Techniques for growing and mounting small singlecrystals of refractory compounds(Fred Ordway，1952年2月)；2.A simple microscopeattachment for observing high-temperature phenomena(J.H.Welch,1954年8月)”提出了热丝法。热丝法是指将不同成分的铂铑丝焊接成热电偶，该热电偶在使用过程中既作为加热元件，又作为测温元件的一种热电偶技术。热电偶以正负极焊接点位置为中点制成“V”或“U”型，将被测物直接置于热电偶上，通过控制热电偶按照预定条件升温、保温及降温，同时采集热电偶的温度值。基于热丝法的基本原理，文献“Development of double andsingle hot thermocouple technique for in situ observation and measurement ofmold slag crystallization”(Y.Kashiwaya,C.E.Cicutti and A.W.Cramb，1998年4月)提出了热丝法的设计思路和装置组成。热丝法装置主要由控制系统、加热炉、摄像系统和计算机系统组成。采用热丝法装置可以研究冶金、资源、矿业、陶瓷材料等行业的炉渣、粉煤灰、矿物、耐材等物质的熔化结晶特性，利用图像采集系统实现样品在高温条件下变化过程的原位观察。

热丝法的核心技术是同时实现加热和测温，这都依赖于热丝法的电极来实现。电极作为热丝法的核心组件，有三大功能。(1)作为支架支撑加热丝。将双铂铑加热丝固定到电极上，进而进行样品的测试。(2)提供加热和测温的功能。作为加热和测温的中间体，电极一侧连接加热丝，一侧连接控制系统，工作过程要求电极同时实现热电偶的加热和测温，并且要求加热和测温信号互不干扰，测温准确。(3)调节加热区渣膜宽度。采用双热电偶进行实验时，是在两对热电偶之间形成渣膜，因此要求电极能够移动加热丝的位置，调节渣膜宽度。

目前，热丝法能够在1500℃的高温条件下长期使用，参见文献“High-temperatureinvestigation of mould slag crystallization by single and double hotthermocouple techniques”(Nathalie

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于热丝法的加热及测温电极，以解决的技术问题主要是：第一同时实现热电偶的加热和测温；第二加热及测温信号互不干扰，温度测量准确；第三电极可长期稳定工作在1600℃等问题。

为了解决所述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于热丝法的加热及测温电极，包括作为加热组件的两根金属电极杆，其特征在于：每根金属电极杆的一端分别连接加热用的铂铑丝，金属电极杆的另一端固定到电极杆支撑构件上；两根金属杆作为加热电极，一根连接电源线正极、另一根连接电源线负极，然后通过铂铑丝连接形成加热回路；

每根金属电极杆的空腔中分别设置一根陶瓷管，作为测温热电偶组件的铂铑热电偶正极和铂铑热电偶负极分别设置在一根陶瓷管内作为测温冷端；铂铑热电偶正极一端连接测温导线正极，另一端连接加热用的铂铑丝正极；铂铑热电偶负极一端连接测温导线负极，另一端连接加热用的铂铑丝负极，以形成测温回路；

螺旋测微尺的一端设置在螺旋测微尺支撑构件上，螺旋测微尺支撑构件通过中间连接杆与电极杆支撑构件连接；通过转动螺旋测微尺的调节旋钮带动加热组件在轴向移动，从而带动金属电极杆伸缩移动，实现电极的伸缩调节。

这样，本发明的电极同时具有加热和测温功能，加热及测温信号因陶瓷管的分隔作用而互不干扰，温度测量准确；实验过程中通过转动螺旋测微尺的调节旋钮带动电极移动，可以动态调节位置，可长期稳定工作在1600℃高温环境，短期可达1700℃。

进一步的特征是，所述的金属电极杆是铜质中空杆件，采用黄铜管作为主体材料，并在表面镀一层镍。这样，采用表面镀镍的黄铜合金管作为主体加热导电元件，传递加热信号，电极最快可在10s内升温到1600℃。

进一步的特征是，每根金属电极杆的一端上钻有固定螺孔和限位螺孔，固定螺孔用于压紧固定加热用的铂铑丝，限位螺孔用于限位。这样能够准确安装加热用的铂铑丝位置。

进一步的特征是，所述铂铑热电偶正极为直径0.5mm的B型铂铑热电偶的正极丝，铂铑热电偶负极为直径0.5mm的B型铂铑热电偶的负极丝。这样，正极放置PtRh30、负极放置PtRh6，作为加热铂铑丝的延长导线和冷端，传递测温信号。

进一步的特征是，加热用的铂铑丝和测温热电偶的正极丝、负极丝的材质相同。这样，便于加热用的铂铑丝和测温热电偶的正极丝、负极丝的连接，测温采样信号准确，提高测温精度。

进一步的特征是，所述电极杆支撑构件和螺旋测微尺支撑构件，采用尼龙树脂制成。尼龙树脂不导电、重量轻、强度高、耐热性能强，能提高整个电极的性能。

进一步的特征是，所述中间连接杆采用钢材、铝材或铜合金材料制成。

进一步的特征是，设置不锈钢外壳，将中间连接杆和部分或全部电极杆支撑构件包围在内。这样，具有优异的保护作用，形成一个完整的电极。

进一步的特征是，在螺旋测微尺支撑构件外侧设置不锈钢后盖，将螺旋测微尺支撑构件包围在内；不锈钢后盖可拆卸式连接在不锈钢外壳后端。这样，具有优异的保护作用，形成一个完整的电极。

进一步的特征是，在电极杆支撑构件内设置限位槽，通过限位槽的限位作用，防止金属电极杆发生偏转。这样，通过限位槽的限位作用，可以保证金属电极杆只发生前后方向的一维运动，防止金属电极杆发生偏转。

与现有技术相比，本发明一种基于热丝法的加热及测温电极，具有如下技术特点：

1、本发明针对热丝法装置的使用需求，开发出一种加热及测温电极，可以实现热电偶同时加热及测温。

2、升温速率快，电极可达平均200℃·s

3、电极可在1600℃高温环境下长期稳定工作，短期高温可达1700℃，满足某些特定实验样品对于1600℃及以上高温测试条件的需求。

4、加热及测温信号互不干扰，电极的测温精度控制在±1℃，测温精度高，满足热丝法装置的各种使用需求，易于拆装和后期维护。

5、通过本发明电极的调节移动功能，可实现渣膜宽度的精确控制，控制精度可达0.01mm；利用调节功能还可以将渣膜进行分离，用于研究固-液渣膜宽度比例，渣膜拉丝性能等。

6、本发明采用螺旋测微尺制成调节移动组件，精确控制电极移动位置，精度可达0.01mm。

附图说明

图1为本发明实施例中电极组成结构示意图；

图2为本发明电极工作原理示意图；

图3为本发明双丝法测试工作示意图；

图4为本发明实施例电极在1600℃和1700℃高温下保温的图像；

图5为本发明实施例双丝法测试过程图像。

图中，1—固定螺孔；2—限位螺孔；3—金属电极杆；4—陶瓷管；5—铂铑热电偶正极；6—铂铑热电偶负极；7—电极杆支撑构件；8—不锈钢外壳；9—中间连接杆；10—不锈钢后盖；11—螺旋测微尺支撑构件；12—绝缘防护壳；13—螺旋测微尺；14—密封槽；15—限位槽。

具体实施方式

下面结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，本发明实施例提供的一种基于热丝法的加热及测温电极，包括作为加热组件的两根金属电极杆3、作为测温组件的铂铑热电偶正极5和铂铑热电偶负极6，以及隔热和保护作用的陶瓷管4，以及螺旋测微尺13，金属电极杆3通常是铜质中空杆件，采用黄铜管作为主体材料，如黄铜或黄铜合金等，并在表面镀一层镍，耐磨性好、抗氧化性强、使用寿命长。每根金属电极杆3的一端上分别连接加热用的铂铑丝，图中是在每根的该端上钻有两个螺孔，即固定螺孔1和限位螺孔2，固定螺孔1用于压紧固定加热用的铂铑丝，限位螺孔2用于铂铑丝的限位，保障加热丝的插入位置适当。两根金属电极杆3的另一端设置(固定)在电极杆支撑构件7上；两根金属杆3作为铜电极，一根连接电源线正极、另一根连接电源线负极，然后通过加热用的铂铑丝连接形成加热回路。

每根金属电极杆3的空腔中分别设置一根陶瓷管4，作为测温热电偶组件的铂铑热电偶正极5和铂铑热电偶负极6分别设置在一根陶瓷管4内作为测温冷端；图中的一种具体实施例型号：铂铑热电偶正极5为直径0.5mm的B型铂铑热电偶的正极丝(PtRh30)，铂铑热电偶负极6为直径0.5mm的B型铂铑热电偶的负极丝(PtRh6)；测温用的铂铑热电偶正极5和铂铑热电偶负极6是每根独立的，铂铑热电偶正极5一端连接测温导线正极，另一端连接其所在的金属电极杆3上的加热用的铂铑丝正极；铂铑热电偶负极6一端连接测温导线负极，另一端连接其所在的金属电极杆3上的加热用的铂铑丝负极，以此形成测温回路。加热用的铂铑丝和测温热电偶的正极丝、负极丝的材质、成分相同，均为选用直径0.5mm的B型热电偶，加热用的铂铑丝的加热信号通过铜电极传递，而测温则通过金属电极杆3内部的B型铂铑热电偶丝进行。陶瓷管4在其中起隔绝作用，一方面防止加热对测温信号干扰，另一方面防止金属电极杆3的高温传递到铂铑热电偶正极5和铂铑热电偶负极6的测温热电偶冷端，确保温度测量的准确度。

螺旋测微尺13的一端设置在螺旋测微尺支撑构件11上(图中远离调节旋钮的一端)，螺旋测微尺支撑构件11通过中间连接杆9与电极杆支撑构件7连接；螺旋测微尺13带有能够转动的调节旋钮，作为调节移动组件，通过中间连接杆9将加热组件(测温组件)和调节移动组件相连，通过转动调节旋钮带动加热组件在轴向移动，从而实现电极的伸缩调节；螺旋测微尺13作为现有技术在此不做进一步说明。

电极杆支撑构件7和螺旋测微尺支撑构件11，采用尼龙树脂制成，尼龙树脂不导电、重量轻、强度高、耐热性能强。中间连接杆9可以采用钢材、铝材或铜合金等材料制成，具有较高的机械性。调节移动组件采用现有的螺旋测微器的测量原理，可以实现位移的精确控制。利用螺旋测微器的测微螺杆、刻度盘(包括固定刻度和可动刻度)、调节旋钮和微调旋钮制成调节测量机构，测微螺杆与中间连接杆9相连，中间连接杆9再与电极杆支撑构件7相连，通过旋转调节旋钮，促使金属电极杆3移动。在电极杆支撑构件7内设置限位槽15，通过限位槽15的限位作用，可以保证金属电极杆3只发生前后方向的一维运动，防止金属电极杆3发生偏转。

设置不锈钢外壳8，将中间连接杆9和部分或全部电极杆支撑构件7包围在内，起到防护作用；采用304不锈钢制成外壳8，将金属电极杆3的各个组件相连、组装，将电极的中间连接区域封装到外壳8内部，形成一个完整的电极。在螺旋测微尺支撑构件11外侧设置不锈钢后盖10，将螺旋测微尺支撑构件11包围在内，起到防护作用；不锈钢后盖10可拆卸式连接在不锈钢外壳8后端，如通过螺纹连接。电极与热丝法装置安装结合的位置设置有密封槽14，采用橡胶圈密封，可以在通气环境中使用，电极尾部装有树脂制成的绝缘防护壳12，用于隔绝导线，起安全防护作用。

图2为本发明电极的工作原理示意图。将加热用的铂铑丝安装固定到电极的金属电极杆3上，连接后形成通路。系统的加热信号通过铜的金属电极杆3传递到加热铂铑丝上，而温度测量则通过金属电极杆3内部的B型铂铑热电偶丝来完成，从而实现同时加热和测温的功能。加热和测温信号在整个电极使用过程通过独立的通道传递，互不干扰，每一次加热和测温在短时间内交替完成。

图3为双丝法实验示意图，进行双丝法实验研究时，需要使用两个电极来协同进行，通常在两支加热铂铑丝的中间形成渣膜区。在进行双丝法测试工作时，利用电极的调节移动组件可实时调节渣膜区宽度，实现双丝间渣膜宽度的精确控制。此外，利用电极的调节移动功能，还可以通过电极施加场外因素，创建新的实验条件。

本发明电极用于热丝法装置，采用现有的中频斩波技术实现热电偶的加热和测温，在单位时间内包含一个加热周期和一个测温周期，进而同时实现热电偶的控温和测温功能。加热采用中频斩波技术，加热和测温是通过控制单位时间内加热和测温的占比来控制升温速率和加热温度，因此通过加热占控比(以千分率形式给出)来控制热丝法装置的加热速率。本发明电极的升温速率和加热温度通过控制单位时间内加热的功率占控比来实现，该加热方式响应速度快、控温精度高。

实施例1

通过设定加热占控比，测定电极的升温速率如表1所示。

表1升温速率测试数据

在200‰的加热占控比条件下，电极可达平均160℃·s

实施例2

图4为电极在1600℃和1700℃高温条件下保温的图像，测试证明采用该电极，热丝法可以在1600℃条件下稳定工作，短时间可达1700℃，满足某些特定实验样品对于1600℃及以上高温测试条件的需求。

实施例3

通过对热电偶进行标定校准之后，采用该电极加热熔化硫酸钾，进而确定电极的测温精度，测试数据见表2所示。

表2测温精度测试数据

采用硫酸钾和氟化钙两种物质检测电极的测温精度，从数据可见，电极的测温精度可以控制到±1℃，测温精度高。

实施例4

图5为双丝法实验渣膜宽度调节过程图像，通过本发明电极(两根金属电极杆3)的调节移动功能，以调整两个电极之间的距离，可实现渣膜宽度的精确控制，控制精度可达0.01mm。同时利用调节功能还可以将渣膜进行分离，用于研究固-液渣膜宽度比例，渣膜拉丝性能等等。

以上对本发明实施例提供的一种基于热丝法的加热及测温电极进行了详细介绍。本申请以个别具体实施例对发明的原理、材料、组装方式、实施方案进行了阐述。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。