高溫測量前沿技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王魁漢,蘇 菲

(沈陽東大傳感技術(shù)有限公司,遼寧 沈陽 110179)

0 引言

高溫測量在許多工業(yè)應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色。在冶金行業(yè)中,需要精確監(jiān)測高溫爐中的溫度,以確保爐內(nèi)工藝達(dá)到要求。在能源行業(yè)中,燃燒爐、鍋爐等設(shè)備也需要進(jìn)行高溫測量,以便提高能源效率,并確保設(shè)備的正常運(yùn)行。此外,在研發(fā)和試驗過程中,高溫測量對于研究材料的熱性能、化學(xué)反應(yīng)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(xué)高溫計。

溫度傳感器是高溫測量設(shè)備的主要組成部分。它的作用是將溫度信號轉(zhuǎn)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(yīng)測量溫度的傳感器,由兩種不同金屬的導(dǎo)線連接而成。當(dāng)兩種金屬的溫度不同時會產(chǎn)生電動勢,因而可通過電路將電信號轉(zhuǎn)換為溫度信號。熱電阻是一種利用電阻值與溫度成正比關(guān)系而制成的傳感器。溫度傳感器及儀表產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。傳感器、智能化儀表及其構(gòu)成的測控系統(tǒng),是不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)及核心裝備之一,對促進(jìn)工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級、發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、推動現(xiàn)代化國防建設(shè)發(fā)揮著重要作用。為了確保溫度測量的準(zhǔn)確性,大量測溫行業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)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(yè)需要關(guān)注的重點。

光學(xué)高溫計的核心部件是光學(xué)探頭。光學(xué)探頭用于測量物體發(fā)出的輻射能量的波長和強(qiáng)度。光學(xué)探頭通常由一個光學(xué)纖維和一個光學(xué)濾波器組成。光學(xué)纖維可以將物體發(fā)出的輻射能量傳輸?shù)焦鈱W(xué)濾波器中。光學(xué)濾波器可以選擇特定的波長范圍來測量物體的溫度。光學(xué)高溫計的優(yōu)點是可以測量非接觸式高溫物體,例如熔融金屬、高溫爐內(nèi)的物體等。

本文首先簡要介紹了國際自動機(jī)工程師學(xué)會(Society of Automation Engineers,SAE)制定的航天航空材料規(guī)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(fā)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(rèn)證的重要依據(jù)。自1980年發(fā)布以來,SAE AMS 2750G已經(jīng)歷7次版本的修訂,于2022年6月發(fā)布了AMS 2750G-2022版。

AMS 2750G的主要內(nèi)容包括溫度傳感器、儀表、熱處理工藝設(shè)備、系統(tǒng)精度校驗、爐溫均勻性測量、記錄及管理等。AMS 2750G-2022對標(biāo)準(zhǔn)作了進(jìn)一步優(yōu)化,刪除了部分過時內(nèi)容(特別是對模擬儀表的相關(guān)要求),解決了歷史版本中發(fā)現(xiàn)的問題,凸顯了該標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性和科學(xué)性。AMS 2750G是關(guān)于高溫測量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)文件,經(jīng)過不斷的版本更新和優(yōu)化,在推動高溫測量行業(yè)的發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。

AMS 2750G-2022對工業(yè)用溫度傳感器的初始校準(zhǔn)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(zhǔn)-測溫系統(tǒng)校準(zhǔn)新理念

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

2.1 離線校準(zhǔn)

離線校準(zhǔn)是計量領(lǐng)域經(jīng)典的校準(zhǔn)方法,指將溫度系統(tǒng)各組成部分在設(shè)備離線狀態(tài)時,被送至計量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。測溫系統(tǒng)組件分別符合允差要求,但其組成的測溫系統(tǒng)不一定能滿足要求。

2.2 在線校準(zhǔn)

在線校準(zhǔn)是在現(xiàn)場實時工作狀態(tài)下對測量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)校驗。在線校準(zhǔn)的特點是被校測溫系統(tǒng)各組成部件保持不動,利用現(xiàn)場加熱設(shè)備作為熱源,以經(jīng)過校準(zhǔn)后的測溫系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)與被校測溫系統(tǒng)進(jìn)行比對。

2.3 離線校準(zhǔn)與在線校準(zhǔn)的關(guān)系

離線校準(zhǔn)是測溫系統(tǒng)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ),而在線校準(zhǔn)是測溫系統(tǒng)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。兩者互補(bǔ)、缺一不可。

2.3.1 便攜式在線校準(zhǔn)儀

便攜式在線校準(zhǔn)儀由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、測溫儀這3個部分組成。新型便攜式在線校準(zhǔn)儀如圖1所示。

圖1 新型便攜式在線校準(zhǔn)儀

便攜式在線校準(zhǔn)儀的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 便攜式在線校準(zhǔn)儀的主要技術(shù)指標(biāo)

每臺校準(zhǔn)儀均帶有國家認(rèn)可實驗室的校準(zhǔn)證書,且證書所示誤差為便攜校準(zhǔn)儀的整體誤差。這便于溯源,以及在現(xiàn)場隨時檢測溫度系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。尤其當(dāng)爐溫發(fā)生爭議時,便攜式校準(zhǔn)儀進(jìn)行現(xiàn)場校驗具有準(zhǔn)確度高、現(xiàn)場使用方便等優(yōu)點,因而得到熱處理企業(yè)的廣泛應(yīng)用[5]。

2.3.2 帶有校準(zhǔn)孔的專用熱電偶

帶有校準(zhǔn)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(zhǔn)時提供校準(zhǔn)孔。標(biāo)準(zhǔn)器測量端與被校傳感器的測量端間距小于5 mm。帶有校準(zhǔn)孔的專用熱電偶已在諸多熱處理廠應(yīng)用[6]。帶有校準(zhǔn)孔的專用熱電偶如圖2所示。

圖2 帶有校準(zhǔn)孔的專用熱電偶

2.3.3 防漏、可更換、帶校準(zhǔn)孔的熱電偶

為了解決真空系統(tǒng)的在線校準(zhǔn)問題、防止打開校準(zhǔn)孔前或校準(zhǔn)過程中因保護(hù)管破損造成真空爐漏氣而致使?fàn)t內(nèi)發(fā)熱體或工件氧化或燒損,我國研究者在原有帶校準(zhǔn)孔熱電偶基礎(chǔ)上增加防漏裝置。這可確保即使外保護(hù)管或校準(zhǔn)孔破損,仍可更換控溫?zé)犭娕蓟驅(qū)嵤┰诰€校準(zhǔn)[7],適合真空熱處理行業(yè)用戶使用。

2.4 測溫系統(tǒng)在線校準(zhǔn)的應(yīng)用

2.4.1 在線校準(zhǔn)的優(yōu)點

在線校準(zhǔn)的優(yōu)點如下。

①減少熱處理爐上的溫度系統(tǒng)拆裝頻率,降低因多次拆裝造成損壞的可能性。

②及時發(fā)現(xiàn)測溫系統(tǒng)失準(zhǔn)的問題。在線校準(zhǔn)可在生產(chǎn)時隨時進(jìn)行,以便及時發(fā)現(xiàn)測溫系統(tǒng)失準(zhǔn)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(zhǔn)確,熱電偶使用一段時間后必須送計量室校準(zhǔn)。在線校準(zhǔn)可隨時在現(xiàn)場抽檢測溫系統(tǒng)準(zhǔn)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(yè)成本。

2.4.2 應(yīng)用案例

沈陽某熱處理廠大軸淬火后出現(xiàn)裂紋,經(jīng)現(xiàn)場在線校準(zhǔn),被測溫度系統(tǒng)的溫度與在線校準(zhǔn)儀的溫度偏差約為60 ℃。通過分別排查熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、測溫儀表等溫度系統(tǒng)組成部分,發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)的原因是補(bǔ)償導(dǎo)線使用不當(dāng)。針對該問題,熱處理現(xiàn)場工作人員及時更換了補(bǔ)償導(dǎo)線,以避免產(chǎn)生更多損失。

在線校準(zhǔn)儀與帶校準(zhǔn)孔熱電偶的配套使用,可為熱處理現(xiàn)場工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題提供便利。熱處理生產(chǎn)企業(yè)無需在爐子上另外設(shè)計熱電偶的校準(zhǔn)孔。帶校準(zhǔn)孔熱電偶已成為熱處理行業(yè)的標(biāo)配。在線校準(zhǔn)是熱處理現(xiàn)場有效的質(zhì)量控制方法。

3 難熔金屬熱電偶的發(fā)展與應(yīng)用

熔點超過1 935 ℃的難熔金屬或合金構(gòu)成的熱電偶稱為難熔金屬熱電偶。其中,鎢錸熱電偶應(yīng)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(huán)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(yè)鎢錸熱電偶屬于不可拆卸型結(jié)構(gòu)。

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(zhì)量名義成分為95%鎢、5%錸;負(fù)極質(zhì)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(zhì)量名義成分為95%鎢、5%錸;負(fù)極質(zhì)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(zhì)量名義成分為97%鎢、3%錸;負(fù)極質(zhì)量名義成分為75%鎢、25%錸。

(2)按適用環(huán)境分類。

①適用于常規(guī)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(hù)管,例如氧化鋁陶瓷保護(hù)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(hù)管,例如鉬保護(hù)管、鎢保護(hù)管等。

3.2 鎢錸熱電偶防氧化技術(shù)

國際上關(guān)于鎢錸熱電偶的防氧化技術(shù)一般為物理法,即抽真空防氧化法。我國研究者經(jīng)三十多年不斷改進(jìn),采用化學(xué)法防氧化即實體化技術(shù)防氧化,開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的特種鎢錸溫度傳感器,為鎢錸熱電偶拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。國內(nèi)外鎢錸熱電偶性能對比如表3所示。

表3 國內(nèi)外鎢錸熱電偶性能對比

由表3可知,我國開發(fā)的工業(yè)鎢錸熱電偶,不僅價格便宜,而且有些性能居國際領(lǐng)先地位。這表明我國鎢錸熱電偶防氧化的理論研究與生產(chǎn)制造已達(dá)世界先進(jìn)水平。

3.3 鎢錸熱電偶的校準(zhǔn)

鎢錸熱電偶的常用校準(zhǔn)規(guī)范及注意事項如下。

①(0～1 500)℃鎢錸熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范(JJF 1176—2007)[8]。根據(jù)JJF 1176—2007:在0～1 500 ℃校準(zhǔn)時,應(yīng)特別注意區(qū)分氧化氣氛與保護(hù)氣氛的校準(zhǔn);難熔金屬保護(hù)管的鎢錸熱電偶只能在真空與保護(hù)氣氛下校準(zhǔn);如果在氧化氣氛中校準(zhǔn),不僅會導(dǎo)致保護(hù)管氧化,還會損壞鎢錸熱電偶,更會嚴(yán)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(zhǔn)規(guī)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(jìn)行校準(zhǔn)。

③熱電偶鈀點熔絲法校準(zhǔn)規(guī)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(fā)展與應(yīng)用

當(dāng)前,隨著航空航天等高新技術(shù)的發(fā)展,對高溫、超高溫測量的需求越來越強(qiáng)烈。綜合考慮復(fù)合參數(shù)工業(yè)環(huán)境,需有針對性地設(shè)計、開發(fā)新型鎢錸熱電偶。國內(nèi)新型鎢錸熱電偶已在多種工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。

新型鎢錸熱電偶應(yīng)用及使用壽命如表4所示。

表4 新型鎢錸熱電偶應(yīng)用及使用壽命

國內(nèi)生產(chǎn)的鎢錸熱電偶基本可滿足嚴(yán)酷環(huán)境測溫要求,現(xiàn)已替代進(jìn)口鎢錸熱電偶。鎢錸熱電偶的應(yīng)用如表5所示。

表5 鎢錸熱電偶的應(yīng)用

鎢錸熱電偶替代貴金屬熱電偶,可為國家節(jié)省外匯、為企業(yè)降低成本超億元。

4 進(jìn)口溫度傳感器國產(chǎn)化研究與應(yīng)用

改革開放以來,我國進(jìn)口了大量的先進(jìn)設(shè)備,同時也進(jìn)口了多種溫度傳感器。進(jìn)口傳感器性能穩(wěn)定、可靠性高,但價格昂貴、供貨周期長,難以滿足我國生產(chǎn)需要。

幾十年來,在緊跟世界前沿技術(shù)的同時,我國努力開發(fā)出多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的溫度傳感器。研究應(yīng)用經(jīng)驗和成果如下。

(1)對于前沿技術(shù),不能急功近利、簡單模仿。

(2)從理論上搞懂、結(jié)構(gòu)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(jì)90年代初,進(jìn)口產(chǎn)品的使用壽命可超過一年,而國產(chǎn)產(chǎn)品僅有一個月左右。應(yīng)某軸承廠的要求共同開發(fā)的滲碳爐專用熱電偶開發(fā)過程為:首先,針對使用環(huán)境選擇耐高溫、抗?jié)B碳的材料;然后,從結(jié)構(gòu)上隔絕還原氣體同熱電偶絲的接觸,開發(fā)出專用熱電偶。所開發(fā)的專用熱電偶經(jīng)一汽、二汽及Ipsen公司等二十多年使用,表明其可以替代進(jìn)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(jìn)口產(chǎn)品。一年多的使用結(jié)果表明,其性能穩(wěn)定可靠、壽命長,為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)對于先進(jìn)的傳感器,既要虛心學(xué)習(xí),又要敢于創(chuàng)新,以形成開創(chuàng)性技術(shù)。

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(zhǔn)孔熱電偶已成為熱處理行業(yè)的標(biāo)配。國內(nèi)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(nèi)外多用爐、滲碳爐專用熱電偶性能對比

5 經(jīng)驗總結(jié)與發(fā)展建議

經(jīng)過五十多年來緊跟世界高溫測量前沿技術(shù),本文總結(jié)經(jīng)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(jì)80年代起,我國研究者一直在尋找契機(jī),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(jié)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(jìn)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(yè)的從業(yè)者選擇合適的溫度傳感器,可以考慮以下思路。

①了解應(yīng)用需求。從業(yè)者需要了解測量的具體應(yīng)用場景,例如冶金、能源、材料研究等領(lǐng)域。不同的應(yīng)用場景對溫度傳感器的性能要求不同,因此需要根據(jù)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(xué)高溫計等。它們在不同的溫度范圍內(nèi)具有不同的測量精度和穩(wěn)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(wěn)定性會產(chǎn)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(yīng)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(guān)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(xué)和物理性質(zhì),因此在高溫環(huán)境下工作的傳感器需要考慮材料的耐高溫性能、穩(wěn)定性、抗氧化性等。

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

⑥探索新型傳感器技術(shù)。隨著科技的不斷進(jìn)步,新型傳感器技術(shù)也不斷涌現(xiàn),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(shù)在高溫測量領(lǐng)域的應(yīng)用前景值得關(guān)注。

6 結(jié)論

本文主要分析和總結(jié)國際高溫測量技術(shù)研究以及溫度傳感器的開發(fā)工作,旨在為高溫測量行業(yè)從業(yè)者在選擇合適溫度傳感器時提供新思路。高溫測量行業(yè)的從業(yè)者需要全面考慮應(yīng)用需求、測量范圍、安裝方式、材料選擇、校準(zhǔn)和維護(hù)以及新型傳感器技術(shù)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(lǐng)域的不同需求。