热电偶失效原因分析和对策

摘要:液晶玻璃基板铂金通道温度测量普遍采用裸丝热电偶,对生产使用中短时间常出现开路失效的情况进行综合分析,根据热电偶拆除后偶丝的检查情况，分析为氧化导致开路失效，针对性提出改进对策方案，最终取得较为理想的效果。
0概述
      现代TFT基板玻璃生产中,普遍使用了铂金通道澄清方式,其加热方式为在铂金管道上通以大电流,以铂金管道本身作为发热载体，对内部的玻璃液进行加热。通道加热方式一般采用温度控制加热功率的闭环控制模式，测定铂金管壁的温度,根据测定的温度和设定目标值温度比较,调整通过该铂金管道的电流电压，进而调整铂金发热量来改变温度,使之控制在目标值误差精度范围内。
      铂金通道温度的稳定与否,将直接决定了工艺参数的稳定运行,对基板玻璃的品质有很大的影响，影响着气泡、铂金颗粒、玻璃结石、条纹等诸多缺陷的产生毕。热电偶稳定连续的测量并提供真实可靠的温度数据,对工艺的调整至关重要。
1结构形式和使用环境
1.1结构形式
      基板通道.上热电偶--般采用铂铑贵金属热电偶,常用的有R型、S型和B型。通常采用裸偶直接或间接焊接在铂金管道本体上的安装方式。直接焊接即将热电偶两根偶丝先焊接在一-起,如图1中a所示,然后再焊接在铂金管道本体.上,这样测得的就是最直接的铂金管壁的温度。但是通道本体是一个大电流的载流体，也就是热电偶是测量带电体的温度,这样的结构形式使得热电偶容易受到更多电气因素的影响,从而影响热电偶的测量正确性和使用寿命。间接焊接一般是在铂金管壁上趴焊一个小的铂金片,然后将热电偶接触点焊接在该小铂金片上,如图1中b所示。这样的结构可以减少铂金管道大电流对热电偶测量精度的影响。此外,所有的测温点都配备双偶，当一组偶丝出现故障时候,可以很快切换到另外--组偶丝。

      因为所有的偶丝都需要从最内层耐火材料--直贯穿到最外层保温材料，然后才可以连接到测量仪表中,测出所需要的温度数值,如图2所示。在常温和高温下，各种材料膨胀系数不同，当设备从常温状态升温到使用温度状态,一.般在1600℃以上，不同的材料会产生不同的位移。为了防止在热膨胀过程中热电偶丝被拉扯而产生断线,在安装时候，所有的偶丝均进行了预处理,一-是退火处理,退火处理是将偶丝在安装前进行预升温到1000℃,然后以缓慢速度降温,实现偶丝退火,退火后的偶丝变得柔软，可塑性更好;二是预留膨胀空间，在所有的偶丝安装到设备后，在每根偶丝外套上陶瓷小管,保证两根偶丝在引出过程中不能发生短路现象，再在陶瓷小管外边包裹约10mm厚的耐火棉，穿过耐火材料预留孔，引出到外部空间接线盒,利用保温棉弹性保证膨胀过程中偶丝不被拉扯到。

1.2使用环境
      贵金属热电偶使用温度在1300~1650℃,在偶丝进出的通道四周，尽可能密封得严严实实。周围耐火材料-般为氧化铝为主的耐高温材料和以硅酸铝为主的保温砖或保温板、保温棉,尽可能控制碳的含量,在.安装过程中,尽可能减少金属杂质混入。在气氛控制上,尽量减少氧化气氛，但是又需要保证不能出现还原气氛，故在以氮气为主的气体中加入了少量的氧气和水蒸气。
2故障原因
      2014年某公司一产线按照正常的程序安装调试和升温启动,并顺利达到了正常的工艺状态，当生产运行到约10个月的时候,开始先后出现了8组热电偶失效,经过现场测量,确认电阻无穷大，即处于开路状态。且备用热电偶在使用前后几个月内也相继失效。这些热电偶基本都发生在高温段，导致高温段尤其是澄清段没有了可供参考的温度测量数据,对生产工艺造成较大的影响。在此期间只能靠各个回路的加热功率和.操作人员的经验判断，以及降温段的温度显示数据来参考。问题发生后,对可能造成热电偶批量开路的原因进行了相关资料查找、分析和汇总，结合现场实际情况进行分析。-般情况下，出现热电偶开路有以下几种原因。
2.1机械性损伤
       热电偶偶丝在受到外力拉伸或者剪切,发生机械性断裂。因为偶丝从内到外穿过可能不止一层耐火材料以及钢结构外壳。无论是自然膨胀受到阻碍还是耐火材料或钢结构之间位移,或者是铂金本体在热胀过程中与接线盒之间发生位移，都有可能导致偶丝受到拉力或者剪切力，当超过一定程度后就可能发生偶丝断裂。此外，部分偶丝在生产环节制作完成后,没有经过有效的退火,残存应力较大,在受到外界机械力量的多次弯折，会出现折断的可能。
2.2高温熔断
      无论何种牌号的热偶,都有一定的使用范围，一般来说贵金属热电偶的使用温度较大,其中又以B型热电偶长期使用的温度更高些。当一定牌号的热电偶处在高于其使用温度的环境下，或者局部过热,都会导致偶丝变软,超过贵金属熔点就会出现偶丝熔断的可能。
2.3物理化学侵蚀.
      偶丝在使用中有其固定的使用环境,不同的环境会对偶丝的侵蚀有不同的影响。--般来讲,贵金属处于氧化物包围的环境相对安全,当环境中有金属单质或者碳、硅等单质存在，会与贵金属在高温下形成共晶体或共熔体回,其熔点远低于贵金属本身的熔点，会造成偶丝局部劣化而断裂。
2.4挥发
      在空气气氛中，当超过一定温度后，贵金属也会被氧化，氧化后形成贵金属氧化物,便以气态形式挥发到周围大气中,遇到冷点又凝结，如此循环经过一定的使用时间，偶丝就可能出现局部断裂,这种现象一.般发生.在偶丝保护管接口处。偶丝在中性或者惰性气氛中相对最安全,因为氧化气氛会加速贵金属氧化挥发,还原气氛有可能导致周围其他物质还原形成金属单质。
      由于在生产中无法将损坏的偶丝拿出来进行分析,也无法判断内部气氛等状况,故对其中真实的原因进行判断，只能待产线停止后揭破分析。经过半年多的时间后,由于其它的原因导致该产线停产大修,整个产线降温后拆除,拆开所有的热偶分析后发现，多数偶丝断裂发生在距离测温点较近的地方,约3cm左右,偶丝保护管的接口部位，而且集中表现在偶丝需要转弯的部位,根据显微观察,断点周围保护管有较多挥发后的冷凝物，且断点呈现粗糙逐步过渡型的断头。由此可以推断，该现象主要是由于贵金属长时间的氧化后挥发造成的。由于密封不够严密,导致有外界氧气渗入保温材料内部,而偶丝保护管由于在转弯处会造成较大.的缝隙，氧气有更多的机会接触到偶丝,在比较高的温度下便会对偶丝造成影响。
3对策方法和效果
      当判定其影响主要方向后，在该产线重建的时候,对所有偶丝的处理进行了优化,主要做了以下几点调整。首先是将平头偶丝保护管改换成了圆形头保护管,即一头是突出一头是凹入,这样的组合,即使偶丝拐弯也能起到很好的密封作用,更好地隔离空气的进入;其次将环境气氛由氮气加氧气改为了纯氮气,完全中性的气氛,尽可能减少氧气的存在;第三将偶丝穿过的路线密封方式进行了调整,在偶丝套入保护管之后,之外包裹两层高温耐火密织布,再外填充细目数氧化铝粉,所有这些保护装入耐火材料和保温材料孔洞中,在孔洞的低温段用耐火泥密封。
      经过以_上处理方式改进后的产线投入运行，在基本相同的工作温度和使用习惯前提下，经过了19个月的运行,只有1组热电偶出现了开路,其余均未出现明显异常,到24个月时也只有4组出现开路,但是有2组偶丝的备用组仍可使用。.
4结束语
      通过热电偶开路现象的分析和总结、改进对策与效果对比,可以看出，热电偶偶丝由于氧化挥发造成的开路现象从理论.上讲,是不可能绝对避免的，但是可以通过优化环境气氛和安装方式来延长其使用寿命。通过此案例分析，希望对同行技术人员有一定的借鉴作用。