一、引言
在某些场合，需要对一个较大区域温场的温度变化进行监测，例如化工厂的造气炉炉体外表面的温度监测。造气炉在工作时炉内温度高达1300℃，炉衬在长期使用过程中可能发生损坏，若不及时发现并采取措施就会发生爆炸事故。通过监测整个炉体外表面的温度，就可预报和预防这类事故的发生。
国外早在50年代就研制成功了用于大面积温度监测的热敏电缆。目前热敏电缆已广泛应用于燃煤处理、石油化工、食品、电力、仓储、印刷等众多行业。热敏电缆一般有两根平行于其长度方向的电极，电缆内填充有对温度敏感的半导体氧化物陶瓷材料。若热敏电缆的两根电极为不同材料且它们之间能产生反映温度的热电势，则我们称之为热电偶型热敏电缆;若热敏电缆的两根电极为相同材料，则我们称之为电阻型热敏电缆。本文研究的为电阻型热敏电缆(以下简称为热敏电缆)。电阻型热敏龟缆是通过氧化物陶瓷材料的电阻值变化来反睐退度的，其电阻疼与温度的关系大致满足
为电阻，T为绝对温度，八尹分别为常数)。通过侧量热敏电缆的电阻，就可得到电缆沿线的平均温度，若把热敏电缆排布在一个平面或曲面上，其电阻值就可反映平面或曲面上的平均温度，“八五”期间，我们对电阻型热敏电缆进行了研究‘我们所研制热敏电缆如图1所示。本课题的难点在于获得较大高退电阻值和良好稳定性。本文除对性能参数进行了进一步研究和调整外，还较全画地考察了元件的性能。
从实验数据可看出研制的热敏电缆具有合适的电阻值和良好的稳定性。
二、元件制备与性能测试
1.元件的制备
我们采用的温度敏感材料为Fe一AI—Mn系氧化物陶瓷。将一定比例的FeZO3、A1203、MnZO，混合，经预烧和烧结制成具有负电阻退度系数的热敏陶瓷。制好的陶瓷材料填人合金管中，并装配两根电极，在拉丝设备上进行拉拔减径至所需的尺寸。为了利于加工和控制性能，拉拔过程中可进行热处理。
在拉制好的电缆两端制作可相互联接的接头。经一定时间老化和性能测试后就可作为成品元件。制作的热敏电缆结构如图所示。
2.性能测试
性能溅试在SX2一12一10型箱式实验电炉中进行，用热电偶和铂电阻监测炉内温度。热敏电缆的电阻值及热电偶的电势值用HG1942A型宽带电阻/电压表侧量、铂电阻的电阻值用QJ18a型测沮双臂电桥测量。
三、实验结果与讨论
1.电阻—温度关系(R一T关系)
表1、表2给出了这几个样品在150~350C温度范围内的电阻一温度对应关系以及各温度区段的B值。B值是假设对应温度区段的R一T关系满足关系式的计算结果。由表1和表2的数据看出，在150一350C的温度范围内，R一T关系并不严格满足前述关系式。对于具有负温度系数的陶瓷热敏电阻，这个关系式本来就是一个近似的表达。更近似的表达式为用1号样品的数据进行模拟，可得其表达式为将各温度点的电阻值代人上式所计算的温度值偏差在—0.56一0.56℃范围.说明研制的热敏电缆的R一T关系可用不太复杂_的数学表达式进行描述。热敏电缆的R一T关系不严格满足不会给使用带来困难。因为在实际使用中，我们将给每组热敏电缆元件分别配置变送器。变送器将R—T关系进行峰性化转换，最终输出与温度成线性关系的标准电流和电琢信号。
根据实际使用情况及分析结果可知，热敏电缆在高很段的电阻不能太小.一般单支元件350℃的电阻应大于100最好大于350℃，否则会影响测温精度和灵敏度。我们所研制的元件350℃的电阻值均大于100 并可达1000以上，因而能够较好地反映高温段的温度。
研制的热敏电缆B值在3000~8500K范围，由此计算出150℃和350℃的电阻温度系数分别在1.68%~3.14%和1.24%~2.15%范围，在150℃和350℃温度每变化一度电阻值的绝对变化分别在111.2~2227和2.0~65.0范围。由此可看出热敏电缆具有较高的灵敏度和分辨率.
3.稳定性
表3给出了样品在300℃存贮1000h的稳定性实验结果.研制的热敏电缆300℃存贮10O0h电阻值变化范围为一10·6%一7.4%对应的温度偏差范围为一3.3~4.6℃·
表4给出了150~350℃热循环稳定性实验结果。热循环带来的电阻值变化范围为一10.3%~9.1%，对应的温度变化为一4.1~4.8℃。
高温存贮和热循环带来的性能偏差可作为热敏电缆测温精度评估的参考。值得指出的是，上述数据不仅包含了热敏电缆元件本身性能的漂移，同时还包含了侧量误差。对于热循环稳定性实验，估计测量误差占的比重比性能漂移大。侧量误差主要来自箱式试验电炉温场不均匀以及元件温度难以与沮场平衡。
3.可靠性评估
热敏电缆的失效可分为两种，即损坏性失效和漂移性失效。损坏性失效包括电极断路、短路等，具有突发性和偶然性.损坏性失效可通过合适的制造工艺以及小心安装、使用加以避免或使其失效率很小。漂移性失效表现为电阻值的经时变化，主要是由于热敏材料性能不稳定造成的，一般难以避免。因而选择电阻值随时何的漂移率作为失效判据。针对实际使用要求，我们规定热敏电缆在30℃或300℃以上存贮一定时间电阻值漂移所对应的温度偏差大子土14℃为失效。
本可靠性评估试验按赚《85一721攻关项目可靠性验收试验方法》进行。采用无替代换定时截尾试验。试验温度(存贮温度)为300℃，试验时间为1000h，试验样品数为19支。表5列出了最终的实验结果(限于篇幅，其它实验数据在此不详细列出)。由表可看出所有元件在实验过程中均未发生失效，即失效样品数为0。经过计算，元件的平均无故障工作时间(MTBF)异20000小时。该可靠性评估试验方法及结果已得到机械工业部仪器仪表元器件及传感器可靠性中心的认可。
四、结束语
研制的热敏电缆350℃的电阻值一般大于100，可达数千欧姆渭值在3000一8500K范围;在300℃存贮1000h电阻值变化范围为一10.6%~7.4%，对应温度偏差为一3.3一4.6℃;150~350℃热循环电阻值的变化范围为一10.3%~9.1%，对应温度偏差为一4.1一4.8℃;平均无故障工作时间(MTBF))Zoo00h。研制的热敏电缆能够用于150~350℃度区段面积温场的温度监测和报警，其性能满足化工等行业的使用要求。
参加本工作的还有:何明、张忠模、刘碧君同志。
本文作者：雷霆
