高溫測量前沿技術的發展與應用

王魁漢,蘇 菲

(沈陽東大傳感技術有限公司,遼寧 沈陽 110179)

0 引言

高溫測量在許多工業應用中扮演著至關重要的角色。在冶金行業中,需要精確監測高溫爐中的溫度,以確保爐內工藝達到要求。在能源行業中,燃燒爐、鍋爐等設備也需要進行高溫測量,以便提高能源效率,并確保設備的正常運行。此外,在研發和試驗過程中,高溫測量對于研究材料的熱性能、化學反應和物理性能也起著重要作用。高溫測量主要包括接觸測溫和非接觸測溫兩種方法。兩種方法的核心部件分別為溫度傳感器和光學高溫計。

溫度傳感器是高溫測量設備的主要組成部分。它的作用是將溫度信號轉換為電信號。常用的溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種。熱電偶是一種利用熱電效應測量溫度的傳感器,由兩種不同金屬的導線連接而成。當兩種金屬的溫度不同時會產生電動勢,因而可通過電路將電信號轉換為溫度信號。熱電阻是一種利用電阻值與溫度成正比關系而制成的傳感器。溫度傳感器及儀表產業是國民經濟的基礎性戰略產業之一。傳感器、智能化儀表及其構成的測控系統,是不可缺少的基礎技術及核心裝備之一,對促進工業化轉型升級、發展戰略性新興產業、推動現代化國防建設發揮著重要作用。為了確保溫度測量的準確性,大量測溫行業的技術人員進行了廣泛研究[1-2]。溫度傳感器的種類繁多。因此,針對自身測溫需求選擇合適的溫度傳感器,是各行業需要關注的重點。

光學高溫計的核心部件是光學探頭。光學探頭用于測量物體發出的輻射能量的波長和強度。光學探頭通常由一個光學纖維和一個光學濾波器組成。光學纖維可以將物體發出的輻射能量傳輸到光學濾波器中。光學濾波器可以選擇特定的波長范圍來測量物體的溫度。光學高溫計的優點是可以測量非接觸式高溫物體,例如熔融金屬、高溫爐內的物體等。

本文首先簡要介紹了國際自動機工程師學會(Society of Automation Engineers,SAE)制定的航天航空材料規范(aerospace materials specification,AMS)之一,即SAE AMS 2750G高溫測量;然后主要介紹高溫測量中的接觸法測溫;最后重點介紹溫度傳感器的研究與開發工作。

1 SAE AMS 2750G高溫測量簡介

SAE AMS 2750G高溫測量是美國航空航天和國防合同方授信項目(national aerospace and defense contractors accreditation program,NADCAP)審核中熱處理過程認證的重要依據。自1980年發布以來,SAE AMS 2750G已經歷7次版本的修訂,于2022年6月發布了AMS 2750G-2022版。

AMS 2750G的主要內容包括溫度傳感器、儀表、熱處理工藝設備、系統精度校驗、爐溫均勻性測量、記錄及管理等。AMS 2750G-2022對標準作了進一步優化,刪除了部分過時內容(特別是對模擬儀表的相關要求),解決了歷史版本中發現的問題,凸顯了該標準的先進性和科學性。AMS 2750G是關于高溫測量設備的標準文件,經過不斷的版本更新和優化,在推動高溫測量行業的發展方面發揮了重要作用。

AMS 2750G-2022對工業用溫度傳感器的初始校準精度提出了更高的要求。AMS 2750G-2022對溫度傳感器的要求如表1所示。

表1 AMS 2750G-2022對溫度傳感器的要求

2 在線校準-測溫系統校準新理念

AMS 2750G中的系統精度校驗(system accuracy test,SAT)概念[3],與溫度測量系統在線校準的理念基本一致,是開展扁平化溯源技術及應用的有效方法[4]。

2.1 離線校準

離線校準是計量領域經典的校準方法,指將溫度系統各組成部分在設備離線狀態時,被送至計量校準機構進行校準。測溫系統組件分別符合允差要求,但其組成的測溫系統不一定能滿足要求。

2.2 在線校準

在線校準是在現場實時工作狀態下對測量系統進行系統校驗。在線校準的特點是被校測溫系統各組成部件保持不動,利用現場加熱設備作為熱源,以經過校準后的測溫系統作為標準與被校測溫系統進行比對。

2.3 離線校準與在線校準的關系

離線校準是測溫系統準確性的基礎,而在線校準是測溫系統準確性的關鍵。兩者互補、缺一不可。

2.3.1 便攜式在線校準儀

便攜式在線校準儀由熱電偶、補償導線、測溫儀這3個部分組成。新型便攜式在線校準儀如圖1所示。

圖1 新型便攜式在線校準儀

便攜式在線校準儀的主要技術指標如表2所示。

表2 便攜式在線校準儀的主要技術指標

每臺校準儀均帶有國家認可實驗室的校準證書,且證書所示誤差為便攜校準儀的整體誤差。這便于溯源,以及在現場隨時檢測溫度系統的準確性。尤其當爐溫發生爭議時,便攜式校準儀進行現場校驗具有準確度高、現場使用方便等優點,因而得到熱處理企業的廣泛應用[5]。

2.3.2 帶有校準孔的專用熱電偶

帶有校準孔的專用熱電偶既可用于對爐溫的測量與控制,又可在需要在線校準時提供校準孔。標準器測量端與被校傳感器的測量端間距小于5 mm。帶有校準孔的專用熱電偶已在諸多熱處理廠應用[6]。帶有校準孔的專用熱電偶如圖2所示。

圖2 帶有校準孔的專用熱電偶

2.3.3 防漏、可更換、帶校準孔的熱電偶

為了解決真空系統的在線校準問題、防止打開校準孔前或校準過程中因保護管破損造成真空爐漏氣而致使爐內發熱體或工件氧化或燒損,我國研究者在原有帶校準孔熱電偶基礎上增加防漏裝置。這可確保即使外保護管或校準孔破損,仍可更換控溫熱電偶或實施在線校準[7],適合真空熱處理行業用戶使用。

2.4 測溫系統在線校準的應用

2.4.1 在線校準的優點

在線校準的優點如下。

①減少熱處理爐上的溫度系統拆裝頻率,降低因多次拆裝造成損壞的可能性。

②及時發現測溫系統失準的問題。在線校準可在生產時隨時進行,以便及時發現測溫系統失準問題。

③延長熱電偶外部送檢周期、降低成本。為了確保測溫量值準確,熱電偶使用一段時間后必須送計量室校準。在線校準可隨時在現場抽檢測溫系統準確性。這可以在一定程度上延長熱電偶外部送檢周期、降低企業成本。

2.4.2 應用案例

沈陽某熱處理廠大軸淬火后出現裂紋,經現場在線校準,被測溫度系統的溫度與在線校準儀的溫度偏差約為60 ℃。通過分別排查熱電偶、補償導線、測溫儀表等溫度系統組成部分,發現問題出現的原因是補償導線使用不當。針對該問題,熱處理現場工作人員及時更換了補償導線,以避免產生更多損失。

在線校準儀與帶校準孔熱電偶的配套使用,可為熱處理現場工作人員及時發現問題提供便利。熱處理生產企業無需在爐子上另外設計熱電偶的校準孔。帶校準孔熱電偶已成為熱處理行業的標配。在線校準是熱處理現場有效的質量控制方法。

3 難熔金屬熱電偶的發展與應用

熔點超過1 935 ℃的難熔金屬或合金構成的熱電偶稱為難熔金屬熱電偶。其中,鎢錸熱電偶應用較為廣泛。

3.1 鎢錸熱電偶的特點及分類

3.1.1 鎢錸熱電偶的特點

①鎢錸熱電偶的電極材料熔點高,約為3 300 ℃。

②鎢錸熱電偶的熱電動勢較大、靈敏度較高。其電動勢率分別是貴金屬熱電偶S型、B型的兩倍和三倍。

③鎢錸熱電偶成本低,約為貴金屬熱電偶的10%。

④鎢錸熱電偶在空氣環境中極易氧化。其熱電偶絲在高溫下會因晶粒長大而變脆。

⑤工業鎢錸熱電偶屬于不可拆卸型結構。

3.1.2 鎢錸熱電偶的分類

(1)按分度號或合金成分分類。

①A分度號的鎢錸5-鎢錸20熱電偶:正極質量名義成分為95%鎢、5%錸;負極質量名義成分為80%鎢、20%錸。

②C分度號的鎢錸5-鎢錸26熱電偶:正極質量名義成分為95%鎢、5%錸;負極質量名義成分為74%鎢、26%錸。

③D分度號的鎢錸3-鎢錸25熱電偶:正極質量名義成分為97%鎢、3%錸;負極質量名義成分為75%鎢、25%錸。

(2)按適用環境分類。

①適用于常規氧化性氣氛(如空氣氣氛)的鎢錸熱電偶,一般采用氧化物作為保護管,例如氧化鋁陶瓷保護管。

②適用于真空、惰性氣體及干燥氫氣的鎢錸熱電偶,需采用難熔金屬類保護管,例如鉬保護管、鎢保護管等。

3.2 鎢錸熱電偶防氧化技術

國際上關于鎢錸熱電偶的防氧化技術一般為物理法,即抽真空防氧化法。我國研究者經三十多年不斷改進,采用化學法防氧化即實體化技術防氧化,開發出擁有自主知識產權的特種鎢錸溫度傳感器,為鎢錸熱電偶拓寬應用領域。國內外鎢錸熱電偶性能對比如表3所示。

表3 國內外鎢錸熱電偶性能對比

由表3可知,我國開發的工業鎢錸熱電偶,不僅價格便宜,而且有些性能居國際領先地位。這表明我國鎢錸熱電偶防氧化的理論研究與生產制造已達世界先進水平。

3.3 鎢錸熱電偶的校準

鎢錸熱電偶的常用校準規范及注意事項如下。

①(0～1 500)℃鎢錸熱電偶校準規范(JJF 1176—2007)[8]。根據JJF 1176—2007:在0～1 500 ℃校準時,應特別注意區分氧化氣氛與保護氣氛的校準;難熔金屬保護管的鎢錸熱電偶只能在真空與保護氣氛下校準;如果在氧化氣氛中校準,不僅會導致保護管氧化,還會損壞鎢錸熱電偶,更會嚴重污染貴金屬熱電偶控溫的檢定爐。

②1 500 ℃～2 300 ℃套管式鎢錸熱電偶校準規范(JJF(軍工)105—2015)[9]。JJF(軍工)105—2015使用黑體空腔和光電高溫計進行校準。

③熱電偶鈀點熔絲法校準規范(JJF 1926—2021)[10]。JJF 1926—2021僅針對鎢錸熱電偶絲在鈀點(1 554.8 ℃)時的熱電特性。

3.4 特種鎢錸熱電偶的發展與應用

當前,隨著航空航天等高新技術的發展,對高溫、超高溫測量的需求越來越強烈。綜合考慮復合參數工業環境,需有針對性地設計、開發新型鎢錸熱電偶。國內新型鎢錸熱電偶已在多種工業領域應用。

新型鎢錸熱電偶應用及使用壽命如表4所示。

表4 新型鎢錸熱電偶應用及使用壽命

國內生產的鎢錸熱電偶基本可滿足嚴酷環境測溫要求,現已替代進口鎢錸熱電偶。鎢錸熱電偶的應用如表5所示。

表5 鎢錸熱電偶的應用

鎢錸熱電偶替代貴金屬熱電偶,可為國家節省外匯、為企業降低成本超億元。

4 進口溫度傳感器國產化研究與應用

改革開放以來,我國進口了大量的先進設備,同時也進口了多種溫度傳感器。進口傳感器性能穩定、可靠性高,但價格昂貴、供貨周期長,難以滿足我國生產需要。

幾十年來,在緊跟世界前沿技術的同時,我國努力開發出多種具有自主知識產權的溫度傳感器。研究應用經驗和成果如下。

(1)對于前沿技術,不能急功近利、簡單模仿。

(2)從理論上搞懂、結構上搞清,才有可能成功。

①熱處理的多用爐、滲碳爐用熱電偶。在20世紀90年代初,進口產品的使用壽命可超過一年,而國產產品僅有一個月左右。應某軸承廠的要求共同開發的滲碳爐專用熱電偶開發過程為:首先,針對使用環境選擇耐高溫、抗滲碳的材料;然后,從結構上隔絕還原氣體同熱電偶絲的接觸,開發出專用熱電偶。所開發的專用熱電偶經一汽、二汽及Ipsen公司等二十多年使用,表明其可以替代進口[1]。

②輝光離子氮化爐專用熱電偶。所研制的新型輝光離子氮化爐專用熱電偶可以替代進口產品。一年多的使用結果表明,其性能穩定可靠、壽命長,為企業帶來較大的經濟效益。

(3)對于先進的傳感器,既要虛心學習,又要敢于創新,以形成開創性技術。

①以廉金屬替代貴金屬熱電偶:以N型可拆卸熱電偶替代鉑銠熱電偶;以N型鎧裝熱電偶替代S型鎧裝熱電偶。

②以難熔金屬熱電偶替代貴金屬熱電偶。

目前,帶校準孔熱電偶已成為熱處理行業的標配。國內外多用爐、滲碳爐專用熱電偶性能對比如表6所示。

表6 國內外多用爐、滲碳爐專用熱電偶性能對比

5 經驗總結與發展建議

經過五十多年來緊跟世界高溫測量前沿技術,本文總結經驗如下。

①在1 150 ℃以下,建議采用N型熱電偶替代S型熱電偶。自20世紀80年代起,我國研究者一直在尋找契機,使在1 250 ℃以下的溫度盡可能用N型熱電偶替代S型熱電偶。以某用戶為例,每年僅用N型熱電偶替代S型熱電偶一項就節約測溫成本35萬元。

②在1 200 ℃以下,建議采用N型鎧裝熱電偶替代S型鎧裝熱電偶。

③在1 400 ℃以下,建議采用S型或C型熱電偶替代B型熱電偶。

實踐證明:對于溫度傳感器,進口的不一定是最好的、價格最貴的不一定是最佳的,只有量身定制的才是性價比最高的。

高溫測量行業的從業者選擇合適的溫度傳感器,可以考慮以下思路。

①了解應用需求。從業者需要了解測量的具體應用場景,例如冶金、能源、材料研究等領域。不同的應用場景對溫度傳感器的性能要求不同,因此需要根據具體需求選擇適合的溫度傳感器。

②確定測量范圍。高溫測量通常涉及較高的溫度范圍,因此需要選擇能夠測量高溫的溫度傳感器。常見的溫度傳感器包括熱電偶、熱電阻、光學高溫計等。它們在不同的溫度范圍內具有不同的測量精度和穩定性。

③考慮安裝方式。溫度傳感器的安裝方式對其測量精度和穩定性會產生影響。在選擇溫度傳感器時,需要考慮其安裝方式是否適合應用場景,例如是否需要在線測量、是否需要接觸被測物體等。

④關注傳感器材料。不同材料制成的溫度傳感器具有不同的化學和物理性質,因此在高溫環境下工作的傳感器需要考慮材料的耐高溫性能、穩定性、抗氧化性等。

⑤了解校準和維護。高溫測量需要精確的校準和維護,因此需要選擇具有良好校準性能和便于維護的溫度傳感器。

⑥探索新型傳感器技術。隨著科技的不斷進步,新型傳感器技術也不斷涌現,例如柔性溫度傳感器、納米溫度傳感器等。這些新型傳感器技術在高溫測量領域的應用前景值得關注。

6 結論

本文主要分析和總結國際高溫測量技術研究以及溫度傳感器的開發工作,旨在為高溫測量行業從業者在選擇合適溫度傳感器時提供新思路。高溫測量行業的從業者需要全面考慮應用需求、測量范圍、安裝方式、材料選擇、校準和維護以及新型傳感器技術等多個方面,才能選擇合適的溫度傳感器,以滿足高溫測量領域的不同需求。