SK284764B6 - Method of heat treatment and stabilizing electric resistivity of platinum wires - Google Patents

Abstract

The platinum wires with high structural and resistance stability during long-term using at temperatures up to 1100 °C can be obtained by appropriate thermal treatments. The thermal treatments consist of recrystallisation annealing of the coiled platinum wires in Bridgman kiln at a maximum temperature in the kiln of 1500 °C to 1750 °C under protective argon atmosphere. After stabilising annealing point during 10 to 15 minutes, the platinum wires are moved at defined rate of feed 10 mm/hour from the point with maximum temperature to crystallizer area with temperature of 20 °C. After the first annealing, the wires are turned about 180° for universal heat treatment of wires lengthways and recrystallisation annealing is reproduced. Thus annealing platinum wires are carefully twisted on the sensor elements and they are isothermal annealed at the temperature from 1300 °C to 1400 °C during 6 hours.

Description

Vynález sa týka technologického postupu výroby vysokopresných odporových teplomerov a vysokopresných odporov, ktoré sa používajú na presne meranie teploty a odporu s teplotou tavenia do 1100 °C.The invention relates to a process for the production of high-precision resistance thermometers and high-precision resistors, which are used to accurately measure temperature and resistance with a melting point of up to 1100 ° C.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V súčasnosti používané platinovové drôty, ktoré sa používajú na výrobu odporových teplomerov vykazujú zmenu odporu v závislosti od času. Na obr. 1 je znázornená časová závislosť odporu platinových drôtov. Z obr. 1. je zrejme, že až dlhodobé izotermické žíhanie (niekoľko tisíc hodín) pri teplote 1100 °C vedie ku stabilizácii ich odporu. Táto časová zmena odporu platinových drôtov priemyselne vyrábaných odporových teplomerov napr. firmou ROSEMOUNT (USA), ISOTECH (ANGLICKO), VNIM (RUSKO), CHINO (JAPONSKO) atd’., výrazne znižuje presnosť merania teploty.The platinum wires currently used for the production of resistance thermometers exhibit a change in resistance over time. In FIG. 1 shows the time dependence of the resistance of the platinum wires. FIG. 1. it is obvious that long-term isothermal annealing (several thousand hours) at 1100 ° C leads to stabilization of their resistance. This time change in the resistance of the platinum wires of industrially produced resistance thermometers e.g. ROSEMOUNT (USA), ISOTECH (ENGLAND), VNIM (RUSSIA), CHINO (JAPAN), etc. 'significantly reduce the accuracy of temperature measurement.

V súčasnosti vyrábané platinové odporové teplomery majú výrobcom zaručený drifl pri meraní teploty 0,01 °C na 100 h (neistota pri 961,78 °C až ± 0,02 °C). Takéto nestabilné odporové teplomery sú nevhodné pre vysokopresné meranie teploty, ktoré sa vyžaduje pri stanovení teplotnej stupnice meraním teploty tuhnutia pevných bodov.Currently manufactured platinum resistance thermometers have a manufacturer-guaranteed drifl at a temperature measurement of 0.01 ° C for 100 h (uncertainty at 961.78 ° C to ± 0.02 ° C). Such unstable resistance thermometers are unsuitable for the high-precision temperature measurement required to determine the temperature scale by measuring the freezing point of the fixed points.

Aby sa dosiahla požadovaná časová odporová stabilita a zvýšila ich presnosť, je nutné tieto teplomery stabilizovať neekonomický dlhý čas (tisícky hodín). Preto je nevyhnutné modifikovať proces výroby platinových odporových teplomerov a výrazne zvýšiť ich dlhodobú odporovú stabilitu vhodným spracovaním pri podstatne kratších časoch, než to vyplýva z obr. č. 1.In order to achieve the desired resistance time and increase their accuracy, it is necessary to stabilize these thermometers for an uneconomic long time (thousands of hours). Therefore, it is necessary to modify the process of manufacturing platinum resistance thermometers and to significantly increase their long-term resistance stability by suitable processing at substantially shorter times than shown in FIG. no. First

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Podstata vynálezu spočíva v stanovení vhodného tepelného spracovania vyrábaných platinových drôtov, ktoré pozostáva z rekryštalizačného žíhania v peci a stabilizačného žíhania po navinutí na telieska senzora teplomeru pred ich montážou do telesa puzdra odporového teplomera Takto rekryštalizačne žíhané platinové drôty sa budú vyznačovať stabilnou štruktúrou a stabilnými dlhodobými odporovými charakteristikami pri teplotách použitia do 1100 °C.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to determine a suitable heat treatment of the produced platinum wires, which consists of recrystallizing annealing in the furnace and stabilizing annealing after being wound on the thermometer sensor body before being mounted into the thermometer housing. characteristics at application temperatures up to 1100 ° C.

Platinové drôty pre odporový teplomer požadovanej dĺžky sa pred navinutím na telieska podrobia žíhaniu v peci. Na tento účel je vhodné použiť modifikované vertikálne zariadenie BRIDGMANOVHO typu, ktoré pozostáva z odporového vyhrievacieho telesa, kryštalizátora a posuvného mechanizmu.Platinum wires for a resistance thermometer of the desired length are annealed in the furnace before being wound onto the bodies. For this purpose, it is advisable to use a modified vertical BRIDGMAN-type device consisting of a resistive heater, a crystallizer and a sliding mechanism.

Pred žíhaním sa zvinuté platinové drôty umiestnia do drážiek dvoch keramických valčekov horného a dolného valčeka tak, aby nedošlo k vzájomnému dotyku medzi závitmi (obr. 2). Osová vzdialenosť medzi keramickými valčekmi sa môže meniť podľa dĺžky žíhaných drôtov, a to spravidla v rozsahu od 20 mm do 150 mm v závislosti od konštrukcie zariadenia.Prior to annealing, the coiled platinum wires are placed in the grooves of the two ceramic rollers of the upper and lower rollers so that there is no contact between the threads (Fig. 2). The axial distance between the ceramic rollers may vary according to the length of the annealed wires, typically in the range of 20 mm to 150 mm, depending on the design of the device.

Takto zvinuté platinové drôty sa potom umiestnia do zvislej keramickej trubice vyrobenej z keramiky AI₂O₃, ktorá je spojená s posuvovým mechanizmom pece. Keramická trubica spolu s drôtmi sa nastaví do definovanej polohy v peci, ktorá zabezpečí, že spodná časť zvinutých drôtov sa nachádza v bode najvyššej teploty pece a horná časť drôtov v oblasti s nižšou teplotou.The wound platinum wires are then placed in a vertical ceramic tube made of Al ₂ O ₃ ceramic, which is connected to the furnace feed mechanism. The ceramic tube, along with the wires, is set to a defined position in the furnace which ensures that the lower part of the coiled wires is at the point of the highest temperature of the furnace and the upper part of the wires in the lower temperature region.

Po dôkladnom niekoľkonásobnom vyvákuovaní a prepláchnutí pece argónom sa napustí ochranná pretlaková atmosféra argónu a teplota v peci sa zvýši na teplotu žíhania, ktorá sa môže voliť v rozsahu od 1500 °C do 1750 °C. Po stabilizácii na teplote žíhania počas 10 až 15 minút sa spustí posuvový mechanizmus pece.After thoroughly evacuating and purging the furnace several times with argon, the argon protective atmosphere is charged and the furnace temperature is raised to the annealing temperature, which can be selected in the range of 1500 ° C to 1750 ° C. After stabilization at the annealing temperature for 10 to 15 minutes, the furnace feed mechanism is started.

Zvolenou rýchlosťou posuvu sa potom drôty premiestnia z bodu maximálnej teploty do oblasti kryštalizátora s teplotou 20 °C tak, aby horná časť drôtov prešla celým teplotným poľom pece, t. j. z východiskovej teploty cez bod maximálnej teploty až po teplotu kryštalizátora.At the selected feed rate, the wires are then moved from the maximum temperature point to the crystallizer region at 20 ° C so that the top of the wires passes through the entire temperature field of the furnace, i. j. from the starting temperature through the maximum temperature point to the crystallizer temperature.

Takto vyžíhané drôty sa potom otočia o 180°, opäť sa vložia do keramickej trubice a žíhanie sa zopakuje pri rovnakých podmienkach. Dvojnásobné žíhanie a otočenie o 180° zabezpečí, že platinový drôt bude vyžíhaný rovnomerne, čo zabezpečí homogenitu veľkosti rekryštalizovaných zŕn po celej jeho dĺžke a tým aj stabilitu jeho odporových charakteristík.The annealed wires are then rotated through 180 [deg.], Reinserted into the ceramic tube and the annealing is repeated under the same conditions. Double annealing and rotating through 180 ° ensure that the platinum wire is annealed evenly, ensuring homogeneity in the size of the recrystallized grains over its entire length and hence stability of its resistance characteristics.

Rýchlosť pohybu žíhaných platinových drôtov sa volí v závislosti od kinetiky rastu zŕn v žíhanom materiáli a výrazne závisí od východiskového stavu drôtov. Na komerčne vyrábané platinové odporové drôty, ktoré sú zvinuté na dĺžku 100 mm, sa odporúča používať rýchlosť 10 mm/h a dĺžku posuvu 160 mm na žíhanie v peci, ktorá má maximálnu teplotu žíhania 1700 °C, teplotu kryštalizátora 20 °C a vzdialenosť medzi bodom maximálnej teploty v peci a teplotou kryštalizátora 60 mm.The speed of movement of the annealed platinum wires is selected depending on the grain growth kinetics in the annealed material and is strongly dependent on the initial state of the wires. For commercially produced platinum resistance wires that are wound to a length of 100 mm, it is recommended to use a speed of 10 mm / h and a feed length of 160 mm for annealing in an oven having a maximum annealing temperature of 1700 ° C, crystallizer temperature of 20 ° C and distance between maximum oven temperature and crystallizer temperature of 60 mm.

Takto vyžihané platinové drôty dosahujú priemernú dĺžku rekryštalizovaných zŕn 0,7 mm až 0,8 mm. Táto veľkosť rekryštalizovaných zŕn sa pri teplotách nižších ako 1100 ⁰ C už nemení.The annealed platinum wires reach an average recrystallized grain length of 0.7 mm to 0.8 mm. This size of recrystallized grains no longer changes at temperatures below 1100 ^° C.

V ďalšej etape sa rekryštalizačne vyžihané platinové drôty opatrne navinú na telieska senzora teplomera, ktoré sú súčasťou odporových platinových teplomerov. Pretože pri navinutí dochádza k plastickej deformácii drôtov je potrebné navinuté telieska opäť stabilizačné vyžihať.In the next stage, the recrystallized annealed platinum wires are carefully wound onto the thermometer sensor bodies that are part of the resistance platinum thermometers. Since there is a plastic deformation of the wires during winding, it is necessary to anneal the wound bodies stabilizing again.

Z dôvodu možnej reakcie medzi platinou a keramikou SiO₂ teplota žíhania sa volí v rozsahu od 1300 °C do 1400 °C. Žíhanie sa môže realizovať izotermicky počas 10 hodín v ochrannej atmosfére argónu. Po stabilizačnom žíhaní sa teliesko senzoru spolu s navinutými drôtmi vloží do teplomemého puzdra.Because of the possible reaction between platinum and SiO ₂ ceramic, the annealing temperature is chosen in the range of 1300 ° C to 1400 ° C. The annealing can be carried out isothermally for 10 hours under argon. After stabilization annealing, the sensor body, together with the wound wires, is placed in a thermoset housing.

V priebehu montáže do puzdra teplomera sa už neodporúča žiadna dodatočná úprava navinutého telieska senzoru ako napr. ohýbanie alebo úprava závitov, aby sa zamedzilo vzniku plastickej deformácie drôtov.During retrofitting into the thermometer housing, no additional adjustment of the wound sensor body, such as for example, is recommended. bending or threading to prevent plastic deformation of the wires.

Príklady uskutočnenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Uvedeným postupom sa vyrobilo niekoľko odporových teplomerov, ktoré boli podrobené laboratórnym skúškam na Materiálovotechnologickej fakulte Slovenskej technickej univerzity v Trnave. Výsledky skúšok, ktoré sú uvedené v tabuľke č. 1 jednoznačné ukazujú, že odporové teplomery vyrobené postupom opísaným v „Podstate vynálezu dosahujú výrazne vyššiu odporovú stabilitu pri porovnaní s doteraz vyrábanými odporovými teplomermi. Ich odporová stabilita sa zvýšila až o 2 rády pri teplote 975 “C.Several resistance thermometers were produced by the above procedure and were subjected to laboratory tests at the Faculty of Materials Science and Technology of the Slovak Technical University in Trnava. The results of the tests, which are shown in Table 2, are shown in FIG. 1 show unambiguously that the resistance thermometers produced by the process described in the Summary of the Invention achieve significantly higher resistance stability compared to the resistance thermometers produced hitherto. Their resistance stability increased by up to 2 orders of magnitude at 975 ° C.

Tabuľka 1Table 1

Skúška odporovej stability platinového drôtu po rekryštalizačnom žíhaníResistance stability test of platinum wire after recrystallization annealing

Teplota skúšky Test temperature Odpor (Ω) Resistance (Ω) 0,01 °C 0.01 ° C 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 0,2380952 0.2380952 0,2380952 0.2380952 0,2380953 0.2380953 0,2380952 0.2380952 0,2380951 0.2380951 0,2380952 0.2380952 Po ohreve pri 975 °C/10 h After heating at 975 ° C / 10 h 0,01 °C I 0,2380952 | 0,2380952 1 0,2380951 | 0,2380952 1 0,2380951 | 0,2380952 0.01 ° C I 0.2380952 | 0.2380952 1 0.2380951 | 0.2380952 1 0.2380951 | 0.2380952

Ich odporová stabilita sa zvýšila v trojnom bode vody na 3.10'⁴ K, čo je tiež stabilita použitého trojného bodu vody 273,1600 K ±0,0003 K.Their resistance stability increased at the triple point of water to 3.10 ' ⁴ K, which is also the stability of the water triple point used 273.1600 K ± 0.0003 K.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial usability

Vynález je určený na výrobu primárnych sekundárnych a pracovných vysokopresných platinových odporových teplomerov, ktorých odporová stabilita bude vyššia, ako je presnosť v súčasnosti používaných. Taktiež na výrobu vysokostabilných odporov na definovanie odporovej stupnice používaných pri vyšších teplotách.The invention is intended for the production of primary secondary and working high-precision platinum resistance thermometers whose resistance stability will be higher than the accuracy currently used. Also for the production of high-stability resistors for defining the resistance scale used at higher temperatures.

Claims (2)

Spôsob tepelného spracovania platinových drôtov na zabezpečenie stabilizácie elektrického odporu, vyznačujúci sa tým, že platinové drôty sa žíhajú pri teplote 1500 °C až 1750 °C v atmosfére argónu, pri teplotnom raste od 21 °C/mm až 28 °C/mm, počas žíhania sa premiestňujú z oblasti s najvyššou teplotou do prostredia s teplotou 20 °C a potom sa podrobia izotermickému žíhaniu pri teplote 1300 °C až 1450 °CA method of heat treating platinum wires to provide electrical resistance stabilization, characterized in that the platinum wires are annealed at a temperature of 1500 ° C to 1750 ° C in an argon atmosphere at a temperature rise of from 21 ° C / mm to 28 ° C / mm during The anneals are transferred from the highest temperature area to 20 ° C and then subjected to isothermal annealing at 1300 ° C to 1450 ° C 1 výkres1 drawing Čas (h)Time (h) Obr. 1 Závislosť odporu platinového drôtu na čase žíhania pri teplote 1080 °C.Fig. 1 Dependence of platinum wire resistance on annealing at 1080 ° C. SMER POSUVUFEED DIRECTION HORNÝ KERAMICKÝ VALČEK ~ )UPPER CERAMIC ROLLER ~) AI₂G₄ TRUBICA MAI ₂ G ₄ TUBE M PLATINOVÉ DRÔTYPLATINUM WIRE DOLNÝ KERAMICKÝ VALČEK ŕ ^ó íLOWER CERAMIC ROLLER ø ^ó í VYHRIEVACIE TELESO (/)HEATER (/) MEDENÝ KRYÔTALIZÄTOR íCOPPER CRYSTALIZER Obr.Fig. 2 Schematické usporiadanie zariadenia na rekryštalizačné žíhanie platinových drôtov.2 Schematic arrangement of a device for recrystallization annealing of platinum wires.