CN100485332C

CN100485332C - 临界负温度系数热敏电阻线状测温元件及其制备方法

Info

Publication number: CN100485332C
Application number: CNB2007100177139A
Authority: CN
Inventors: 高积强; 杨武; 杨建锋; 柯高潮; 梁森; 罗明
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: CN101046416A

Abstract

本发明针对目前点式与分布式测温元件在低温度范围不能使用的缺点，公开了一种使用温度在250～500℃范围的线状测温元件及其制备方法：先制备Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷粉料；再在其中加入粘结剂与润滑剂，挤压成棒状芯体，挤压时沿其轴向穿插至少一根电极丝，再将穿丝的棒状芯体置于600～1000℃干燥0.5～1小时定型后装入相应直径的金属管中，最后经3～5次冷拔和退火处理制得线状测温元件，电极丝与金属管壁作为元件的两个电极，它们之间的电阻在常温保持一个很高的数量级，当发生超温或火灾时，其电阻急剧降低，表现出温度开关特性，实现对温度的控制、报警和过热保护。

Description

临界负温度系数热敏电阻线状测温元件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种温度传感器及其制造方法，特别涉及一种临界负温度系数热敏电阻线状测温元件及其制备方法，

背景技术

各种大型重载车辆的发动机系统和传动系统都在严酷的工作环境下工作，各种内部与外部的因素经常会造成这些部位因温度过高引起火灾，有必要开发对发动机三维空间进行火警检测与保护的测温元件，保证设备的安全。但由于车辆动力系统和传动空间的结构复杂，剩余空间曲折、狭小，各种点测温技术，如热电偶，热电阻，陶瓷热敏电阻等仅能测量一个狭小区域的温度，无法对整个系统进行有效监测。二次仪表的配置也十分困难，无法使用传统点测温元器件实现有效的三维空间火警监测。

分布式测温系统是解决复杂三维空间温度测量与控制的有效手段，其中光纤式温度分布测量装置的基本原理是将激光脉冲射到光纤中，依据到达各处返回散射光中的斯托克及反斯托克光之比，求得相应温度。但光纤式温度分布测量装置除了光纤之外，还包括温度测试仪和数据处理器，其中温度测试仪由比较复杂的系统组成，结构复杂，体积庞大，同时其测距分辨率(1m)，测温范围(0～370℃)和测温时间(3min)也无法直接在狭小的空间使用。

据报道，国外采用一种线状热敏温度探测电缆用于分布式测温。其基本结构为外层铠装金属管，内为氧化物陶瓷热敏材料，与金属管平行布置两根或单根电极丝埋在热敏陶瓷中。当外界温度发生变化时，电缆内的热敏材料电阻值将随之发生变化，其关系符合R＝Ae^B/T，把这种电缆按一定方法连接起来就可以测量、控制大面积范围的温度。采用热敏陶瓷材料制作的热敏探测电缆可以满足狭小、复杂空间三维测温的要求，也可以在恶劣复杂环境下工作，但采用何种陶瓷热敏材料以及如何制备的工艺未见有公开报道。

国内重庆仪表研究所研制出Fe-Al-Mn-O系列的铠装热敏电阻温度探测电缆，但其使用范围是100-350℃，其温度指标无法满足更高温度的使用要求，如大型重载车辆动力系统与传动系统在严酷高温工作环境下的使用要求。

发明内容

本发明针对目前点式与分布式测温元件存在的低温度范围不能使用的缺陷，提供一种适于温度250～500℃范围使用的线状测温元件及其制备方法。这种元件的电阻在常温保持一个相当高的数量级，当所分布的空间中发生超温或火灾情况时，其电阻急剧降低，发生突变，表现出温度开关特性，以实现对温度的控制、报警和过热保护。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种临界负温度系数热敏电阻线状测温元件，包括一根不锈钢管，该不锈钢管内设置有电阻芯体，在该电阻芯体中埋设有至少一根电极丝，该电极丝从所述电阻芯体的圆心部位沿电阻芯体轴向穿插设置，其特征是，所述电阻芯体是Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷棒状芯体，所述电极丝是直径为0.2～0.5mm的不锈钢丝。

一种临界负温热敏电阻线状测温元件制备方法：先制备Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷合成粉料；再在该陶瓷粉料中加入粘结剂与润滑剂，挤压成型为直径2～3mm的棒状芯体，挤压时在该棒状芯体圆心部位沿棒状芯体轴向穿插至少一根0.2～0.3mm的不锈钢电极丝，再将穿入电极丝的棒状芯体置于600～1000℃干燥0.5～1小时定型，将其装入相应内径的金属管中，最后将该装有棒状芯体的金属管经过3～5次冷拔和相应的退火处理，最终获得外径为2mm的具有高临界温度的负温度系数电阻线状测温元件。

上述方案中，所述陶瓷粉料中加入的粘结剂为高岭土，润滑剂为熟桐油；所述Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷合成粉料的制备方法是：

1)按质量百分数：Ni₂O₃ 10～20％，Cr₂O₃ 5～35％，Fe₂O₃ 30～50％，In₂O₃10～15％，CuO 5～15％，Al₂O₃ 4～10％的配料比例称量、混合；

2)将混合料放入球磨罐中，用乙醇作为介质，湿法球磨24小时；

3)将球磨好的粉料放入烘箱中70℃干燥24小时；

4)将干燥料研磨过孔径为0.075mm的筛；

5)将过筛后的粉料放入坩埚，置于电阻炉中煅烧合成，合成温度为1000～1100℃，保温2～3小时，随炉冷却；

6)在出炉后的合成瓷料中外加质量百分数为15～20％的Al₂O₃，并在研钵中混合0.5小时后再干法球磨4小时；

7)将球磨后的合成粉料过0.075mm筛，即制得热敏半导体陶瓷合成粉料；

本发明的临界负温度系数热敏半导体陶瓷合成粉料在干法球磨之前，再外加Al₂O₃组分可显著提高陶瓷粉料的低温静态电阻率；加入一定含量的In₂O₃，可以调控热敏电阻的临界温度转变点，并且可以调整材料电阻率在临界温度区间的电阻温度系数。制备得到的线状温度探测元件具有良好形式的CRT电阻-温度曲线。

与现有铠装热敏电阻温度探测电缆相比，本发明由于采用了Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的临界负温度系数热敏陶瓷合成粉料，因此制得的线状测温元件其电阻率发生突变的临界温度在250～500℃范围，其电阻率在低温保持一个相当高的数量级(10～15兆欧姆/厘米)，从而可实际应用于大型重载车辆动力系统与传动系统在较高温度严酷工作环境下的使用要求，也可应用于类似环境下的温度监测、控制与报警。

附图说明

图1为本发明线状测温元件的轴向结构图。

图2为图1的径向截面图。

图3为本发明实施例3的线状温度探测元件的电阻-温度曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种临界负温热敏电阻线状测温元件，包括一根外径为2mm的不锈钢管2，该不锈钢管2内设置有电阻芯体1，在该电阻芯体1中埋设有至少一根电极丝3，电阻芯体1是由Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃系临界负温度系数热敏半导体陶瓷材料制成的棒状芯体，该棒状芯体装入相应内径的不锈钢管2中；所述电极丝3为0.2～0.3mm的不锈钢丝，该电极丝3从所述棒状芯体的圆心部位沿棒状芯体轴向穿插设置。所述Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃系临界负温度系数热敏陶瓷粉料的制备方法是：

1)按质量百分数：Ni₂O₃ 9.8～20％，Cr₂O₃ 5～35％，Fe₂O₃ 30～50％，In₂O₃8～15％，CuO 5～15％，Al₂O₃ 4～10％的配料比例称量、混合，其组成如表1所示；

表1 Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷粉料组成及合成工艺条件

3)将球磨好的粉料放入烘箱中70℃干燥24小时；

4)将干燥料研磨过孔径为0.075mm筛；

5)将过筛后的粉料放入坩埚，置于电阻炉中，在空气条件下煅烧合成，合成温度为1000～1100℃，保温2～3小时，随炉冷却；

7)将球磨后的合成粉料过0.075mm筛，即制得临界负温度系数的热敏半导体陶瓷粉料。

实施例1

先制备Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷粉料，其组成为表1中的A；再在该陶瓷粉料加入5％质量的高岭土作为粘结剂，2％质量的熟桐油作为润滑剂及适量的水，均匀混合，在搅拌机或轮碾机上混合1小时，困料8小时后挤压成型为直径2mm 的棒状芯体，挤压时在该棒状芯体圆心部位沿棒状芯体轴向平行穿插1根0.2mm的不锈钢电极丝，再将穿入电极丝的棒状芯体置于电阻炉中，空气下缓慢加热至600℃干燥0.5小时定型，将其装入相应内径的不锈钢管中，最后将该装有棒状芯体的不锈钢管经过3次冷拔，经550℃退火处理，最终获得外径为2mm的具有高临界温度的负温度系数电阻线状测温元件。

实施例2

先制备Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷粉料，其组成为表1中的B，棒状芯体挤压成型的直径为2.5mm，挤压时在该棒状芯体圆心部位沿棒状芯体轴向穿插2根0.2mm的不锈钢电极丝，将穿入电极丝的棒状芯体于800℃干燥1小时定型，装有棒状芯体的不锈钢管经4次冷拔，其余工艺同实施例1，最终获得不锈钢外径为2mm的具有高临界温度的负温度系数电阻线状测温元件。

实施例3

先制备Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷粉料，其组成为表1中的C，棒状芯体挤压成型的直径为3mm，挤压时在该棒状芯体圆心部位沿棒状芯体轴向平行穿插2根0.3mm的不锈钢电极丝，再将穿入电极丝的棒状芯体于1000℃干燥1小时定型，装有棒状芯体的不锈钢管经5次冷拔，其余工艺同实施例1，最终获得芯体直径为2mm的具有高临界温度的负温度系数电阻线状测温元件。

实施例4

先制备Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷粉料，其组成为表1中的D，棒状芯体挤压成型的直径为3mm，挤压时在该棒状芯体圆心部位沿棒状芯体轴向平行穿插2根0.3mm的不锈钢电极丝，再将穿入电极丝的棒状芯体于1000℃干燥1小时定型，装有棒状芯体的不锈钢属管经5次冷拔，其余工艺同实施例1，最终获得芯体直径为2mm的具有高临界温度的负温度系数电阻线状测温元件。

表2列出了本发明Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃-CuO-Al₂O₃系热敏半导体陶瓷粉料的温度特性，图3示出了本发明的实施例3的线状温度探测元件的电阻-温度曲线，从图3可看出，其具有良好的临界温度电阻(CRT)关系。

表2 本发明热敏电阻陶瓷粉料的电阻温度特性

组成代号	低温静态电阻率Ω.cm	临界温度℃	高温静态电阻率Ω.cm
组成代号	低温静态电阻率Ω.cm	临界温度℃	高温静态电阻率Ω.cm	A	10.8M	250	910
B	13.2M	290	932	A	10.8M	250	910
B	13.2M	290	932	C	15.0M	480	974
D	10.2M	395	893	C	15.0M	480	974

Claims

1.一种临界负温度系数热敏电阻线状测温元件，包括一根不锈钢管，该不锈钢管内设置有电阻芯体，在该电阻芯体中埋设有至少一根电极丝，该电极丝从所述电阻芯体的圆心部位沿电阻芯体轴向穿插设置，其特征是，所述电阻芯体是Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷棒状芯体，所述电极丝是直径为0.2～0.3mm的不锈钢丝。

2.如权利要求1所述的临界负温度系数热敏电阻线状测温元件，其特征是，所述的Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷棒状芯体包括下述质量百分数的组分：Ni₂O₃ 10～20％，Cr₂O₃ 5～35％，Fe₂O₃ 30～50％，In₂O₃ 10～15％，CuO 5～15％，Al₂O₃ 4～10％。

3.如权利要求1所述临界负温度系数热敏电阻线状测温元件的制备方法，其特征是，先制备Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷合成粉料；再在该陶瓷粉料中加入粘结剂与润滑剂，挤压成直径为2～3mm的棒状芯体，挤压时在该棒状芯体圆心部位沿棒状芯体轴向穿插至少一根0.2～0.3mm的不锈钢电极丝，再将穿入电极丝的棒状芯体置于600～1000℃干燥0.5～1小时，将其装入相应内径的不锈钢管中，将该装有棒状芯体的不锈钢管经3～5次冷拔和退火处理得到外径为2mm的具有高临界温度的负温度系数电阻线状测温元件。

4.如权利要求3所述的临界负温度系数热敏电阻线状测温元件的制备方法，其特征是，所述Ni₂O₃-Cr₂O₃-Fe₂O₃-In₂O₃为基的热敏半导体陶瓷合成粉料的制备方法包括如下步骤：

1)按质量百分数：Ni₂O₃ 10～20％，Cr₂O₃ 5～35％，Fe₂O₃ 30～50％，In₂O₃ 10～15％，CuO 5～15％，Al₂O₃ 4～10％的配料比例称量、混合；

3)将球磨好的粉料放入烘箱中70℃干燥24小时；

4)将干燥料研磨过孔径为0.075mm筛；

7)将球磨后的合成粉料过0.075mm筛，即制得热敏半导体陶瓷合成粉料。

5.如权利要求3所述的临界负温度系数热敏电阻线状测温元件的制备方法，其特征是，所述陶瓷粉料中加入的粘结剂为高岭土，加入量为陶瓷粉料质量的5％。

6.如权利要求3所述的临界负温度系数热敏电阻线状测温元件的制备方法，其特征是，所述陶瓷粉料中加入的润滑剂为熟桐油，加入量为陶瓷粉料质量的2％。

7..如权利要求3所述的临界负温度系数热敏电阻线状测温元件的制备方法，其特征是，所述退火处理的温度为550℃。