上海麟文仪器有限公司

ORTON仪器


玻璃软化点

玻璃退火点和应变点

有关热电偶的基本知识

有关电热元件的基本知识

有关陶瓷的基本知识

LVDT(线性位移传感器)

PID(比例、积分、微分控制器)


玻璃软化点

在ASTM C-338中这样规定:长度为235mm、直径为0.65mm的玻璃纤维,上半部分100mm在炉子中以5±1℃的升温速率升温,当玻璃纤维的伸长速度达到1mm/min时温度即为Littleton玻璃软化点。玻璃软化点发生变化,说明玻璃的成分发生变化;另外按照ASTM C-338方法测定玻璃软化点,具有速度快、操作简单、数据重复性好等优点,数据的精度在1℃以内,因此采用玻璃纤维法测定玻璃软化点,可以作为玻璃生产和研发中的一个有效监控手段。

特别注意:玻璃软化点是一个温度点,不是粘度点,玻璃软化点实际上不是粘度为107.6泊(4×107泊)时的温度;测定玻璃软化点,ASTM规定的方法只有玻璃纤维伸长方法,因为该方法的测试速度非常快,一个样品的测试一般只需5~10分钟,一个操作人员在8小时的工作时间内可以测试50个玻璃纤维样品,因此是被广泛使用的控制参数。以下是几种典型玻璃在Littleton软化点时的实际粘度测试值,显然软化点时的玻璃的粘度≠4×107泊

玻璃
密度
(g/cm3)
表面张力
(dynes/cm)
粘度
(泊,P)
Vitreous Silica
2.2
400
3.09×107
Soda-Lime
2.5
300
4.17×107
High Lead
6.2
200
1.29×108




玻璃退火点和应变点
在ASTM C-336中是这样规定:退火点就是内部应力可以在几分钟内释放时的温度。采用玻璃纤维伸长方法,长508mm,直径为0.65mm的玻璃纤维,在1Kg力的作用下,先将玻璃纤维的温度升高,高于玻璃的退火点温度以上以释放玻璃纤维内已有的内应力,然后以4±1℃/分钟的降温速率降温时,当伸长速率降为0.14mm/min时的温度即为退火点温度;将该温度点外推,至伸长速率为退火点温度时的伸长速率的0.0316倍时的温度即为应变点温度。按照ASTM C-336方法测定玻璃退火点和应变点温度,具有速度快、操作简单、数据重复性好等优点,数据的精度在1℃以内。
在ASTM C-598中,采用另一种方法,即弯曲梁法测定玻璃变形速率,以4±1℃/min的降温速率降温过程中,玻璃样品的变形速率满足下列公式时即为退火点温度:
玻璃变形速率,cm/min=2.67×10-11×L3×M/Ic
其中:L,弯曲梁跨度,cm;
M,负载,g;
Ic,横截面的惯性矩,不同界面形状均可计算。
将退火点的变形速率外推至退火点时的变形速率的0.0316倍时的温度,即为应变点温度。
同样要特别注意,无论是采用玻璃纤维伸长法还是采用弯曲梁法测定退火点和应变点,退火点和应变点都是温度点,不是粘度点。



热电偶

我们在使用热分析仪器时,经常会遇到温度测量的热电偶,而热电偶有K型、S型、R型等等。以下是有关热电偶的小知识。用户如果需要热电偶,也可来电咨询。
热电偶工作原理
两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶测温的应用原理;热电偶是工业上常用的温度检测元件之一。其优点是:
测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质
测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量,某些特殊热电偶低可测到-269℃(如金铁镍铬),高可达+2800℃(如钨-铼)。
构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。
热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势, 应该注意以下基本概念:
热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差,而不是热电偶两端温度差的函数;
热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;
当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
常用热电偶丝材及其性能
1、铂铑10-铂热电偶(S型,也称为单铂铑热电偶)Orton使用的就是这种热电偶
该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金,负极为纯铂;它的特点是:
热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃,超达1400℃时,即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶,使晶粒粗大而断裂;
精度高,它是在所有热电偶中,准确度等级相对高的,通常用作标准或测量较高的温度;
使用范围较广,均匀性及互换性好;
主要缺点有:微分热电势较小,因而灵敏度较低;价格较贵,机械强度低,不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。
2、镍铬-镍硅(镍铝)热电偶(K型)
该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金,负极为含硅3%的镍硅合金(有些国家的产品负极为纯镍)。可测量0~1300℃的介质温度,适宜在氧化性及惰性气体中连续使用,短期使用温度为1200℃,长期使用温度为1000℃,其热电势与温度的关系近似线性,价格便宜,是目前用量较大的热电偶。
K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶,不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用;当氧分压较低时,镍铬极中的铬将择优氧化,使热电势发生很大变化,但金属气体对其影响较小,因此,多采用金属制保护管。
K型热电偶的缺点:
热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差,在较高温度下(例如超过1000℃)往往因氧化而损坏;
在250~500℃范围内短期热循环稳定性不好,即在同一温度点,在升温降温过程中,其热电势示值不一样,其差值可达2~3℃;
负极在150~200℃范围内要发生磁性转变,在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表,尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰;
长期处于高通量中系统辐照环境下,由于负极中的锰(Mn)、钴(Co)等元素发生蜕变,使其稳定性欠佳,致使热电势发生较大变化。
3、镍铬硅-镍硅热电偶(N型)  Orton的低温膨胀仪上使用的就是这种热电偶
该热电偶的主要特点是:在1300℃以下调温抗氧化能力强,长期稳定性及短期热循环复现性好,耐核辐射及耐低温性能好,另外,在400~1300℃范围内,N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好;但在低温范围内(-200~400℃)的非线性误差较大,同时,材料较硬难于加工。
4、铂铑30-铂铑6热电偶(B型)
该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金,负极为含铑6%的铂铑合金,在室温下,其热电势很小,故在测量时一般不用补偿导线,可忽略冷端温度变化的影响;长期使用温度为1600℃,短期为1800℃,因热电势较小,故需配用灵敏度较高的显示仪表。
B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用,也可以在真空气氛中的短期使用;即使在还原气氛下,其寿命也是R或S型的10~20倍;由于其电极均由铂铑合金制成,故不存在铂铑-铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势,且具有较大的机械强度;同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响较少,因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵。
5、铂铑13-铂热电偶(R型)
铂铑13-铂热电偶(R型热电偶)为贵金属热电偶。该热电偶的正极(RP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为13%,含铂为87%,负极(RN)为纯铂,长期使用温度高为1300℃,短期使用温度高为1600℃。
R型热电偶在热电偶系列中具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其物理,化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当,在我国一直难于推广,除在进口设备上的测温有所应用外,国内测温很少采用。1967年至1971年间,英国NPL,美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究,其结果表明,R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好,我国目前尚未开展这方面的研究。
R型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。
6、铜-铜镍热电偶(T型)
T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜,负极为铜镍合金(也称康铜),其主要特点是:在贱金属热电偶中,它的准确度较高、热电极的均匀性好;它的使用温度是-200~350℃,因铜热电极易氧化,并且氧化膜易脱落,故在氧化性气氛中使用时,一般不能超过300℃,在-200~300℃范围内,它们灵敏度比较高,铜-康铜热电偶还有一个特点是价格便宜,是常用几种定型产品中最便宜的一种。
7、铁-康铜热电偶(J型)
J型热电偶,该热电偶的正极为纯铁,负极为康铜(铜镍合金),具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中,温度范围从-200~800℃,但常用温度只是500℃以下,因为超过这个温度后,铁热电极的氧化速率加快,如采用粗线径的丝材,尚可在高温中使用且有较长的寿命;该热电偶能耐氢气及一氧化碳 等气体的腐蚀,但不能在高温(例如500℃)含硫的气氛中使用。

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电热元件
我们在使用热分析仪器时,除了遇到热电偶以外,还会遇到电热元件,不同的电热元件适用的温度不同、适应的状态也不同。
硅钼棒(MoSi2),在空气中连续使用的温度为1800℃。在高温下表面生成一层致密的SiO2玻璃膜,防止进一步氧化,但还原气氛会破坏保护层。在400~700℃温度范围内会发生低温氧化而遭破坏,故不应在此范围内长期使用。硅钼棒使用寿命长,且不易发生老化而需更换。硅钼棒在室温下既脆又硬,有较高的抗弯和抗拉强度,在1350℃以上变软且有延展性,伸长率约5%,冷却后又恢复原尺寸和脆性。
硅碳棒(SiC),在空气中,1000℃以下氧化极慢,1350℃时氧化显著,在1350~1500℃间生成SiO2,而SiO2在1700℃左右熔化,生成的SiO2在熔化时覆盖在SiC上面,阻碍SiC再继续氧化。硅碳棒的氧化主要表现为其电阻增加,在使用60~80h后,其电阻增加15%~20%,以后逐渐减缓,这种现象称为“老化”。硅棒老化后电流就要下降,要使功率保持不变必须提高电压,所以硅碳棒电炉需设调压装置,经长期加热,硅碳棒的电阻越来越大,然后终于大到不能再继续使用而废弃。硅碳棒的安全使用温度达1600℃。市售的一般硅碳棒在空气气氛下,炉温在1400℃时,连续使用寿命约为2000h以上,间断使用为1000h以上。炉温在1000℃时,使用寿命可达5000h左右。硅碳棒在低温时,其电阻与温度成反比,约在800℃时,其电阻温度特性由负变为正;在800℃以上,其电阻与温度成正比。
铬铝钴合金,熔化点约为1500℃,加热后在其表面生成Al2O3薄膜,阻碍内部金属继续氧化,其使用温度可达1400℃。但它的强度比镍铬合金低得多,一旦过烧,容易变形倒塌,造成短路而烧毁。尤其是经高温使用一段时间后,晶粒粗大,脆性增加,容易断裂。它的安全使用温度应在1350℃以下。与镍铬合金相比,铬铝钴合金使用温度高,电阻系数大,电阻温度系数小,表面容许负荷高,密度小,价格便宜,因此使用广泛。应注意铬铝钴合金在高温下会与酸性耐火材料及氧化铁皮发生化学反应,破坏表面的Al2O3保护膜,因此在使用时必须注意这点。




陶瓷种类


陶瓷材料通常由三种不同的相组成,即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3),晶相是陶瓷的主要组成相,决定了陶瓷材料的物理化学性能主要是晶相;玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大;气相是在工艺过程中形成并保留下来的。



一、普通陶瓷

普通陶瓷是以粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2;Na2O·Al2O3·6SiO2)、石英(SiO2)为原料,经配料、烧结而制成。其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2),占25%~30%;次晶相为SiO2,占10%~35%;玻璃相占35%~60%,气相占1%~3%。其中玻璃相是以长石为溶剂,在高温下溶解一定量的粘土和石英后经凝固而形成的。这类陶瓷质地坚硬,不会氧化生锈、不导电,能耐1200℃高温,加工成型性好,成本低廉。其缺点是因含有较多的玻璃相,故强度较低,且在高温下玻璃相易软化,所以其耐高温性能及绝缘性能不如特种陶瓷。

这类陶瓷的产量大,广泛用于电气、化工、建筑、纺织等工业部门。用来制作工作温度低于200℃的耐蚀器皿和容器、反应塔管道、供电系统的绝缘子、纺织机械中的导纱零件等。


二、特种陶瓷

1.氧化物陶瓷

  • 氧化铝陶瓷,它是Al2O3为主要成分,含有少量的SiO2的陶瓷,α-Al2O3为主晶相。根据Al2O3的含量不同分为75瓷(75%Al2O3),又称刚玉——莫来石瓷;95瓷(95%Al2O3)和99瓷(99%Al2O3),后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷中Al2O3含量愈高,玻璃相愈少,气孔也愈少,其性能愈好,但工艺复杂,成本高。氧化铝瓷强度高于普通瓷2~3倍,有的甚至高5~6倍;硬度高,仅次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅,有很好的耐磨性;耐高温性能好,含Al2O3高的刚玉瓷有高的蠕变抗力,能在1600℃高温下长期工作;耐腐蚀性及绝缘性好。缺点是脆性大,抗热震性差,不能承受环境温度的突然变化。主要用于制作内燃机的火花塞、火箭和导弹的导流罩、轴承、切削刀具以及石油化工用泵的密封环、纺织机上的导线器、熔化金属用的坩锅及高温热电偶的套管等。

  • 氧化镁陶瓷,主晶相为MgO,是离子晶体,耐高温并抗熔融金属浸蚀。可制作坩锅用来熔炼高纯度的Fe、Mo、Mg、U、Th及其合金。

  • 氧化锆陶瓷,主晶相为ZrO2,是离子晶体,耐高温及腐蚀。室温下为绝缘体,在1000℃以上为导体。可作熔炼Pt、Pb、Ph等金属的坩锅和高温电极。

  • 氧化铍陶瓷,主晶相为BeO,是离子晶体,导热性好与金属相近,抗热震性好。可制作高频电炉的坩锅及高温绝缘的电子元件。由于Be的吸收中子截面小,BeO陶瓷也可用于核反应堆的中子减速剂和反射材料。

2.碳化物陶瓷

碳化硅陶瓷其主晶相是SiC,碳化硅是键能高而稳定的共价晶体。根据其烧结工艺不同,可分为反应烧结碳化硅和热压烧结碳化硅陶瓷。此类陶瓷的优点是高温强度高,而室温强度稍低;在1400℃时其抗弯强度保持在500~600MPa,而其它陶瓷在1200℃~1400℃时强度已显著降低。其次,导热性好,仅次于氧化铍陶瓷;热稳性、抗蠕变性能、耐磨性、耐蚀性都优于Si3N4。主要用于制作火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的浇道口、炉管、燃气轮机叶片、热交换器及核燃料的包封材料等。

3.氮化物陶瓷

  • 氮化硅陶瓷,它是以Si3N4为主要成分的陶瓷,Si3N4为主晶相。按其制造工艺不同分为热压烧结氮化硅(β-Si3N4)陶瓷和反应烧结氮化硅(α-Si3N4)陶瓷。热压烧结氮化硅陶瓷组织致密,气孔率接近于零,强度高。反应烧结氮化硅陶瓷是以Si粉或Si-SiN4粉为原料,压制成型后经氮化处理而得到的。因其有20%~30%气孔,故强度不及热压烧结氮化硅陶瓷,但和95陶瓷相近。氮化硅陶瓷硬度高;摩擦系数小,只有0.1~0.2;具有自润滑性,可以在没有润滑剂的条件下使用;蠕变抗力高,热膨胀系数小;抗热震性能在陶瓷中较佳,比Al2O3瓷高2~3倍;化学稳定性好,抗氢氟酸以外的各种无机酸和碱溶液的侵蚀,也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀。此外,由于氮化硅为共价晶体,因此具有优异的电绝缘性能。反应烧结氮化硅因在氮化过程中可进行机加工,主要用于形状复杂、尺寸精度高的耐热、抗蚀、耐磨、绝缘制品,如石油、化工泵的密封环、高温轴承、热电偶导管。热压烧结氮化硅陶瓷只用于形状简单的耐磨耐高温零件,如切削刀具等。近年来在Si3N4中添加一定数量的Al2O3构成新型陶瓷材料,称为赛纶(Sialon)陶瓷。它可用常压烧结方法就能达到接近热压烧结氮化硅陶瓷的性能,是目前强度最高并有优异的化学稳定性、耐磨性和热稳定性的陶瓷。

  • 氮化硼陶瓷,氮化硼陶瓷的主晶相是BN,属于共价晶体,其晶体结构与石墨相仿为六方晶格,故有白石墨之称。此类陶瓷具有良好的耐热性和导热性,其导热率与不锈钢相当;热膨胀系数小(比其它陶瓷及金属均低得多),故其抗热震性和热稳定均好;绝缘性好,在2000℃的高温下仍是绝缘体;化学稳定性高,能抵抗铁、铝、镍等熔融金属的侵蚀;硬度较其它陶瓷低,可进行切削加工;有自润滑性。常用于制作热电偶套管、熔炼半导体及金属的坩锅、冶金用高温容器和管道、玻璃制品成型模、高温绝缘材料等。此外,由于BN有很大的吸收中子截面,可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。

脆性大、韧性低、难以加工成型是制约结构陶瓷发展及应用的主要原因。近年来,国内外都在陶瓷的成分设计、改变组织结构、创建新的工艺等方面加强了研究,以期达到增韧及扩大品种的目的。“利用ZrO2进行相变增韧”、“纤维补强增韧”以及应用特殊工艺及方法制造“微米陶瓷”及“纳米陶瓷”等增韧技术都取得了一定进展,这无疑会使结构陶瓷在工程结构中的应用范围进一步扩大。

在结构陶瓷发展的同时,种类繁多、性能各异的功能陶瓷也不断涌现。导电陶瓷、压电陶瓷、快离子导体陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷(例如光导纤维、激光材料)、敏感陶瓷(例如传感器陶瓷)、超导陶瓷、陶瓷集成等陶瓷材料在各个领域中正发挥着巨大的作用。

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LVDT(线性位移传感器)

LVDT(线性位移传感器)是一款将位移转化为电信号,由此我们可以测量位移的设备,LVDT的特点有:

  •       1. 原理直观、结构简单、工作可靠、使用寿命长;

  •       2. 灵敏度高、线性范围宽、重复性好;

  •       3. 分辨率高、应用广、适合于不同的应用;

  •       4. 结构对称、零位可恢复。

LVDT的结构由铁芯、衔铁、初级线圈、次级线圈组成,如右图所示,初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上,线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当初级线圈被外部交流电源所激励,在次级线圈上就会产生感应电动势;因为这2个次级线圈的连接时相反的,那么传感器的净输出电压为2个次级传感器之差,当铁芯在线圈的中心位置时,输出的电压为0,也就是我们所说的NULL位置。当铁芯离开0位,铁芯向其中一个次级线圈方向移动时,感应电压增大,而另一个次级线圈的感应电压减少;这个移动会产生一个差分电压信号输出,它会随着铁芯的位置线性变化。当铁芯从一端滑向另一端,输出信号的相位会发生180°改变。

LVDT在工作过程中,铁芯的运动不能超出线圈的线性在LVDT操作时。要确保铁芯完全在线圈内部移动,否则会产生非线性的电压输出,甚至会导致线圈过热。因此所有的LVDT均有一个线性范围。



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 PID(比例、积分、微分控制器)

PID具有三个调节功能:比例调节作用、积分调节作用、微分调节作用。
比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

 

PID参数整定的基本判断:
1、响应曲线震荡频繁,系统稳定度不够,需加大比例度。
2、系统偏差大,并且趋于非周期过程,需减小比例度。
3、曲线波动大,增加积分时间以消除余差。
4、曲线震荡频繁,稳定度低且曲线偏离给定值后长时间不回来,需减少积分时间。
5、曲线最大偏差大且衰减慢,需增加微分时间。
6、曲线震荡频繁,可以适当减少微分时间。


PID参数调整口诀:
参数整定找最佳,从小到大顺序查
先是比例后积分,然后再把微分加
曲线振荡很频繁,比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢,积分时间往下降
曲线波动周期长,积分时间再加长
曲线振荡频率快,先把微分降下来
动差大来波动慢。微分时间应加长
理想曲线两个波,前高后低4比1
一看二调多分析,调节质量不会低


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