Nadcap熱處理認(rèn)證高溫測量中熱電偶的技術(shù)探究

張 鵬，王飛云，史蒲英，李 娜

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

Nadcap是航空行業(yè)的特殊過程認(rèn)證項(xiàng)目，通過行業(yè)管理的運(yùn)作模式對(duì)航空供應(yīng)鏈中涉及特殊過程的供應(yīng)商進(jìn)行過程符合性評(píng)估。

Nadcap認(rèn)證主要涉及熱處理、化學(xué)處理、無損檢測、焊接、復(fù)合材料、噴涂、材料測試、非常規(guī)加工等專業(yè)。目前全球知名的航空主制造商都已經(jīng)加入并參與到Nadcap項(xiàng)目之中。獲得Nadcap認(rèn)證也成為打開航空市場，進(jìn)入航空供應(yīng)鏈的準(zhǔn)入門檻之一。

在Nadcap熱處理認(rèn)證中，熱處理設(shè)備的高溫測量是非常重要的審核內(nèi)容[1]，而高溫測量的技術(shù)依據(jù)，需要嚴(yán)格執(zhí)行AMS2750的要求。AMS2750[2]主要涵蓋熱電偶、儀表、熱處理設(shè)備、系統(tǒng)精確度測試、爐溫均勻性測試等內(nèi)容。其中熱電偶[3]的管理與使用，是AMS2750高溫測量的重中之重，許多熱處理供應(yīng)商由于不了解熱電偶的技術(shù)原理、管理與使用要求，造成了認(rèn)證失敗。

1 熱電偶的工作原理

熱電偶是兩種不同材料的導(dǎo)體基于塞貝克效應(yīng)制成的溫度計(jì)。通常兩種不同材料的導(dǎo)體稱為熱電偶的兩個(gè)電極，其兩個(gè)電極的一端焊接在一起形成一個(gè)測量端，測量時(shí)放置于被測溫場中，另一端為參考端。熱電偶兩端產(chǎn)生的電壓一般在mV級(jí)別，不同金屬組合可以產(chǎn)生不同的電壓，熱電偶的工作的原理圖如圖1所示。

不同分度的熱電偶的電壓與溫度近似關(guān)系圖2所示，根據(jù)圖2可以明確。

(1)不同分度的熱電偶測量的最高溫度不同。因此熱處理供應(yīng)商需要根據(jù)不同的使用溫度選擇不同分度的熱電偶。

(2)對(duì)于R、S、B分度的貴金屬熱電偶，在低溫段電壓非常接近，需要使用精度很高的儀表進(jìn)行顯示。因此，為提高顯示的準(zhǔn)確度，低溫段建議使用賤金屬熱電偶。

(3)R、S分度的貴金屬熱電偶，其電壓溫度曲線非常接近，因此AMS2750規(guī)定，允許的駐留SAT熱電偶及受試熱電偶組合不允許R與S分度進(jìn)行組合。這是因?yàn)楫?dāng)受試熱電偶(熱處理設(shè)備中的控制、監(jiān)視或記錄熱電偶)發(fā)生溫度漂移后，駐留SAT熱電偶不能識(shí)別受試熱電偶的溫度漂移，從而造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

目前，有許多熱處理供應(yīng)商將高溫測量項(xiàng)目進(jìn)行外包，根據(jù)PRI的相關(guān)要求，熱處理供應(yīng)商仍應(yīng)總體負(fù)責(zé)，監(jiān)控及評(píng)價(jià)外包工作，以確定符合客戶的要求。并且，外包的第三方高溫測量服務(wù)提供商應(yīng)擁有來自ILAC(國際實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可合作組織)認(rèn)可的區(qū)域合作機(jī)構(gòu)認(rèn)證的ISO/IEC 17025質(zhì)量體系，認(rèn)可范圍應(yīng)包括適用的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)和/或現(xiàn)場服務(wù)。因此，熱處理供應(yīng)商應(yīng)仔細(xì)評(píng)價(jià)外包方相關(guān)資質(zhì)以及能力，以及是否具備相關(guān)項(xiàng)目的測試能力，以滿足AMS2750的要求。

2 熱電偶的分類、校準(zhǔn)、選擇與使用

2.1 熱電偶分類

依據(jù)熱電偶覆蓋物的不同，AMS2750對(duì)其進(jìn)行了清晰的分類，分類要求見表1。

表1 熱電偶分類

需要注意的是，將易耗型熱電偶放到一根管子中進(jìn)行保護(hù)，并不能證明其已經(jīng)成為非易耗型熱電偶。通常情況下，易耗型與非易耗型的分類狀態(tài)，以從廠家購買的原始狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。

易耗型熱電偶，為任一部分熱電元件暴露在熱處理設(shè)備環(huán)境中的熱電偶，采用一次性使用后即拋棄的設(shè)計(jì)。非易耗型熱電偶，為沒有任何熱電元件暴露在熱處理設(shè)備環(huán)境中的熱電偶，一般更為耐用，可重復(fù)使用。

2.2 熱電偶的校準(zhǔn)規(guī)范的要求

熱電偶的校驗(yàn)方法必須滿足ASTM E207[4]或E220[5]或其他國際認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)的要求，國內(nèi)校準(zhǔn)方法主要依據(jù)國家的相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范。熱處理供應(yīng)商應(yīng)依據(jù)AMS2750的熱電偶校準(zhǔn)項(xiàng)目與校準(zhǔn)證書的內(nèi)容要求，評(píng)審相應(yīng)的校準(zhǔn)報(bào)告是否滿足要求，是否存在缺項(xiàng)漏項(xiàng)等情況，形成相應(yīng)文件記錄。AMS2750F版的證書要求如下：

(1)熱電偶、熱電偶批次或線/電纜卷的識(shí)別號(hào);

(2)熱電偶類型，例如，K, N, E, RTD等;

(3)校準(zhǔn)或復(fù)驗(yàn)日期;

(4)校準(zhǔn)報(bào)告中監(jiān)視的電線/電纜卷的數(shù)量或長度;

(5)標(biāo)明為首次校驗(yàn)或復(fù)驗(yàn);

(6)校準(zhǔn)精度要求;

(7)使用的測試熱電偶和測試儀表的識(shí)別號(hào);

(8)名義校準(zhǔn)溫度;

(9)被測熱電偶實(shí)際溫度讀數(shù);

(10)參考ASTM E220或其他國際認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)方法;

(11)每個(gè)校準(zhǔn)溫度的修正系數(shù)或偏差/誤差，包括盤線的平均值;

(12)文件應(yīng)清楚地說明偏差(誤差)或修正系數(shù);

(13)對(duì)NIST或其他國際認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)組織的可追溯性聲明;

(14)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的識(shí)別號(hào);

(15)進(jìn)行校正工作的技術(shù)員的身份;

(16)校正機(jī)構(gòu)獲授權(quán)代理人的批準(zhǔn);

(17)用戶質(zhì)量部門的批準(zhǔn)。

在此需要說明的是，AMS2750會(huì)有來自五年的審查和規(guī)范更新，熱處理供應(yīng)商應(yīng)依據(jù)最新版的要求，進(jìn)行評(píng)審確認(rèn)。

2.3 一般熱電偶的校準(zhǔn)精度的要求

根據(jù)熱電偶在熱處理設(shè)備的應(yīng)用，可將傳熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、系統(tǒng)熱電偶、測試熱電偶、負(fù)載熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶用于校驗(yàn)在爐子上使用的熱電偶，不在熱處理設(shè)備上安裝。測試熱電偶用于對(duì)系統(tǒng)精確度測試與溫度均勻性測試。系統(tǒng)熱電偶用于對(duì)熱處理設(shè)備進(jìn)行溫度控制、監(jiān)控與記錄。負(fù)載熱電偶用于測量爐內(nèi)零件或原材料的溫度，需直接與材料接觸。熱電偶及熱電偶校準(zhǔn)的精度要求如表2所示。

表2 熱電偶及熱電偶校準(zhǔn)的精度要求

續(xù)表

根據(jù)表2的校準(zhǔn)精度要求，熱電偶在首次投用前，必須進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度應(yīng)滿足表2的要求。

在進(jìn)行系統(tǒng)精度測試與溫度均勻性檢測時(shí)，熱處理供應(yīng)商一般采用賤金屬熱電偶，其校準(zhǔn)周期為每季度(除E、K分度)。E、K分度由于使用壽命、復(fù)校后插入深度等影響，為避免造成工作量增加與潛在的不符合項(xiàng)，已很少采用。在此，建議需要進(jìn)行Nadcap熱處理認(rèn)證的熱處理供應(yīng)商，盡量避免使用E、K分度熱電偶。

控制與記錄熱電偶，AMS2750規(guī)定在第一次使用前進(jìn)行校驗(yàn)，但是熱處理供應(yīng)商應(yīng)有明確的控制文件規(guī)定其替換間隔，否則會(huì)造成不符合項(xiàng)。這是由于熱電偶在高溫環(huán)境長時(shí)間持續(xù)使用，會(huì)造成熱電偶穩(wěn)定性出現(xiàn)漂移，影響控溫精度。

需要注意的是，依據(jù)AMS2750F版的要求，用于系統(tǒng)熱電偶、測試熱電偶、負(fù)載熱電偶的賤金屬熱電偶的精度均壓縮至±2 ℉ (±1.1 ℃)或 ±0.4%，對(duì)熱電偶提出了更高的要求。

熱電偶的校驗(yàn)溫度應(yīng)涵蓋整個(gè)使用溫度范圍，溫度間隔不應(yīng)超過140 ℃，根據(jù)現(xiàn)場使用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可將溫度間隔設(shè)定為100 ℃，方便現(xiàn)場測試人員使用。

除NIST或其他國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)組織外，禁止任何校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)使用最高校準(zhǔn)溫度之上和最低校準(zhǔn)溫度之下的校準(zhǔn)修正系數(shù)外推法。允許用線性方法在兩個(gè)已知校準(zhǔn)點(diǎn)之間插值修正系數(shù)?；蛘撸瑧?yīng)使用最臨近校準(zhǔn)點(diǎn)的修正系數(shù)。無論使用哪種方法，定義和應(yīng)用應(yīng)一致。

熱處理供應(yīng)商應(yīng)針對(duì)AMS2750的要求核查熱電偶校準(zhǔn)報(bào)告，并且應(yīng)建立相應(yīng)評(píng)審程序，確保最近一次的修正值正確的應(yīng)用。

2.4 盤線的校驗(yàn)要求

整盤采購熱電偶導(dǎo)線，再用其制作成為單個(gè)熱電偶，被稱作盤線校驗(yàn)。該類熱電偶一般為易耗型熱電偶。

盤線須在首末兩端取樣和校準(zhǔn)，對(duì)于同一批次的所有熱電偶，任何溫度下的修正系數(shù)應(yīng)為兩端修正系數(shù)的平均值，對(duì)于一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為1.0 ℉或0.6 ℃，對(duì)于控制、記錄和負(fù)載熱電偶、系統(tǒng)精確度試驗(yàn)和溫度均勻性試驗(yàn)熱電偶來說為 2 ℉ 或1.1 ℃。但是，校準(zhǔn)時(shí)，每卷盤線的最大長度應(yīng)符合表3的要求。

表3 盤線的最大允許長度

如果盤線未能達(dá)到端到端之差的要求，可將其切為較短長度并進(jìn)行重復(fù)測試，或者可以將其制作為單個(gè)熱電偶。

2.5 熱電偶的選擇

作為熱處理供應(yīng)商，應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x擇熱電偶并正確使用。恰當(dāng)?shù)倪x擇和維護(hù)用于獲取并連續(xù)測量過程變量的熱電偶，對(duì)于成功的過程控制至關(guān)重要。熱電偶的使用過程最常見的誤解是將兩條導(dǎo)線連接到一起都能制成同樣有效的溫度熱電偶，實(shí)際上這并不簡單，這需要考慮從材料類型到供應(yīng)商的質(zhì)量等幾個(gè)重要因素[6]。

選擇正確的熱電偶，可從以下幾個(gè)方面考慮：熱電偶接觸到的最高以及最低溫度、爐內(nèi)氣氛、工藝規(guī)范以及所允許的誤差、測量過程預(yù)計(jì)持續(xù)的時(shí)間、采購成本、使用者是否有管理熱電偶的經(jīng)驗(yàn)等。

例如，如果熱電偶長期用于過程監(jiān)控和控制，就需要有比定期使用的負(fù)載熱電偶更好的機(jī)械和腐朽保護(hù)。負(fù)載熱電偶價(jià)格更低，也有足夠的柔韌度可以插入爐內(nèi)，但是其使用壽命往往較短。如果熱電偶的使用者經(jīng)驗(yàn)有限，或者不能經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，那么最好選用更穩(wěn)健、具備更好保護(hù)的熱電偶系統(tǒng)等[7]。

2.6 熱電偶的重復(fù)使用要求

2.6.1 通用要求

除絕緣材料、導(dǎo)線，包括熱端均完好無損，否則不得重新使用任何熱電偶[8]。

熱電偶的重新使用，需滿足表4的要求。

2.6.2 對(duì)負(fù)載熱電偶的要求

1)可使用易耗性型賤金屬負(fù)載熱電偶

(1)在低于500.0 ℉或260.0 ℃使用時(shí)，第一次使用后3個(gè)月內(nèi)不限制使用次數(shù)。

(2)在500.0 ℉～1 200.0 ℉或260.0～650.0 ℃，M、T、K和E型應(yīng)限制在3個(gè)月或5次使用，以先到者為準(zhǔn)，在1 200.0 ℉或650.0 ℃以上的僅限使用一次。

(3)在500.0～1 200.0 ℉或260.0～650.0 ℃，J型和N型應(yīng)限制在3個(gè)月或10次使用，以先到者為準(zhǔn)，在1 200.0 ℉或650.0 ℃以上的僅限使用一次。

2)非易耗性賤金屬負(fù)載熱電偶的使用壽命應(yīng)受第一次使用以來的最大合格工作溫度和日歷天數(shù)的限制。

應(yīng)保持累計(jì)負(fù)載熱電偶使用記錄，包括熱電偶批號(hào)、負(fù)載周期、溫度和使用次數(shù)。使用次數(shù)應(yīng)包括在SAT和TUS期間的使用。最大更換間隔或使用次數(shù)，以首次使用非易耗性賤金屬負(fù)載熱電偶后最先出現(xiàn)的為準(zhǔn)，應(yīng)符合表5。

表5 非易耗性賤金屬負(fù)載熱電偶使用溫度、間隔或用途

3 不符合項(xiàng)產(chǎn)生的原因及解決方法

在Nadcap熱處理高溫測量中，與熱電偶的相關(guān)不符合項(xiàng)主要包括：

(1)熱電偶的校驗(yàn)溫度未涵蓋整個(gè)使用溫度范圍，溫度間隔不符合間隔不超過140 ℃的要求。

(2)熱電偶的使用、重復(fù)校驗(yàn)間隔、校驗(yàn)精度等不滿足要求。

(3)在500.0 ℉或260.0 ℃以上使用E、K分度熱電偶，插入深度不滿足應(yīng)等于任何以前使用的插入深度或比其深的要求。

(4)修正系數(shù)的引用，使用最高校準(zhǔn)溫度之上和最低校準(zhǔn)溫度之下的校準(zhǔn)修正系數(shù)外推法。

(5)校準(zhǔn)報(bào)告不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)信息，存在缺漏項(xiàng)目。

產(chǎn)生上述不符合項(xiàng)的根本原因在于熱處理供應(yīng)商對(duì)熱電偶的認(rèn)識(shí)不足、分類不清、功能與用途不了解造成的。針對(duì)上述問題，熱處理供應(yīng)商應(yīng)充分了解熱電偶的分類、用途，根據(jù)相應(yīng)熱電偶的特性，選擇合適分度合適封裝材料的熱電偶，使用過程與校準(zhǔn)實(shí)施，應(yīng)嚴(yán)格按照AMS2750的要求執(zhí)行。具體的解決方法可參考下列方法：

(1)熱處理供應(yīng)商應(yīng)針對(duì)不同使用溫度范圍、不同用途的熱電偶，建立相應(yīng)的管理臺(tái)賬，注明熱電偶檢測溫度范圍與有效期。為方便現(xiàn)場測試人員使用，建議可將試驗(yàn)點(diǎn)溫度間隔設(shè)置為100 ℃。

(2)針對(duì)熱電偶校驗(yàn)，建立相應(yīng)的控制文件，規(guī)定使用要求，將涉及的熱電偶校驗(yàn)間隔與精度進(jìn)行細(xì)化，與熱電偶管理臺(tái)賬對(duì)應(yīng)。

(3)由于E型或K型熱電偶在500 ℉ (260 ℃)以上重復(fù)使用插入深度應(yīng)等于任何以前使用的插入深度或比其深，需要更多的記錄進(jìn)行證明，工作量增加且容易疏漏，在此建議使用N分度熱電偶替代。若使用E型或K型熱電偶，則必須在相應(yīng)的文件中明確要求并嚴(yán)格執(zhí)行。

(4)建立熱電偶計(jì)量校準(zhǔn)證書評(píng)審程序，將AMS2750的相關(guān)要求逐條明確，對(duì)校準(zhǔn)完成后的校準(zhǔn)證書與控制要求進(jìn)行逐條確認(rèn)。

4 結(jié) 語

本文以熱電偶為研究對(duì)象，深入論述了熱電偶的工作原理、校準(zhǔn)規(guī)范要求、熱電偶的分類、精度要求、熱電偶的選擇、重復(fù)使用要求，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)實(shí)際的認(rèn)證過程與使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了Nadcap認(rèn)證過程中針對(duì)熱電偶內(nèi)容的不符合項(xiàng)產(chǎn)生的原因及解決方法。為Nadcap認(rèn)證的熱處理供應(yīng)商及Nadcap熱處理高溫測量技術(shù)人員提供了高效的方法指導(dǎo)。