高温测量前沿技术的发展与应用

王魁汉,苏 菲

(沈阳东大传感技术有限公司,辽宁 沈阳 110179)

0 引言

高温测量在许多工业应用中扮演着至关重要的角色。在冶金行业中,需要精确监测高温炉中的温度,以确保炉内工艺达到要求。在能源行业中,燃烧炉、锅炉等设备也需要进行高温测量,以便提高能源效率,并确保设备的正常运行。此外,在研发和试验过程中,高温测量对于研究材料的热性能、化学反应和物理性能也起着重要作用。高温测量主要包括接触测温和非接触测温两种方法。两种方法的核心部件分别为温度传感器和光学高温计。

温度传感器是高温测量设备的主要组成部分。它的作用是将温度信号转换为电信号。常用的温度传感器有热电偶和热电阻两种。热电偶是一种利用热电效应测量温度的传感器,由两种不同金属的导线连接而成。当两种金属的温度不同时会产生电动势,因而可通过电路将电信号转换为温度信号。热电阻是一种利用电阻值与温度成正比关系而制成的传感器。温度传感器及仪表产业是国民经济的基础性战略产业之一。传感器、智能化仪表及其构成的测控系统,是不可缺少的基础技术及核心装备之一,对促进工业化转型升级、发展战略性新兴产业、推动现代化国防建设发挥着重要作用。为了确保温度测量的准确性,大量测温行业的技术人员进行了广泛研究[1-2]。温度传感器的种类繁多。因此,针对自身测温需求选择合适的温度传感器,是各行业需要关注的重点。

光学高温计的核心部件是光学探头。光学探头用于测量物体发出的辐射能量的波长和强度。光学探头通常由一个光学纤维和一个光学滤波器组成。光学纤维可以将物体发出的辐射能量传输到光学滤波器中。光学滤波器可以选择特定的波长范围来测量物体的温度。光学高温计的优点是可以测量非接触式高温物体,例如熔融金属、高温炉内的物体等。

本文首先简要介绍了国际自动机工程师学会(Society of Automation Engineers,SAE)制定的航天航空材料规范(aerospace materials specification,AMS)之一,即SAE AMS 2750G高温测量;然后主要介绍高温测量中的接触法测温;最后重点介绍温度传感器的研究与开发工作。

1 SAE AMS 2750G高温测量简介

SAE AMS 2750G高温测量是美国航空航天和国防合同方授信项目(national aerospace and defense contractors accreditation program,NADCAP)审核中热处理过程认证的重要依据。自1980年发布以来,SAE AMS 2750G已经历7次版本的修订,于2022年6月发布了AMS 2750G-2022版。

AMS 2750G的主要内容包括温度传感器、仪表、热处理工艺设备、系统精度校验、炉温均匀性测量、记录及管理等。AMS 2750G-2022对标准作了进一步优化,删除了部分过时内容(特别是对模拟仪表的相关要求),解决了历史版本中发现的问题,凸显了该标准的先进性和科学性。AMS 2750G是关于高温测量设备的标准文件,经过不断的版本更新和优化,在推动高温测量行业的发展方面发挥了重要作用。

AMS 2750G-2022对工业用温度传感器的初始校准精度提出了更高的要求。AMS 2750G-2022对温度传感器的要求如表1所示。

表1 AMS 2750G-2022对温度传感器的要求

2 在线校准-测温系统校准新理念

AMS 2750G中的系统精度校验(system accuracy test,SAT)概念[3],与温度测量系统在线校准的理念基本一致,是开展扁平化溯源技术及应用的有效方法[4]。

2.1 离线校准

离线校准是计量领域经典的校准方法,指将温度系统各组成部分在设备离线状态时,被送至计量校准机构进行校准。测温系统组件分别符合允差要求,但其组成的测温系统不一定能满足要求。

2.2 在线校准

在线校准是在现场实时工作状态下对测量系统进行系统校验。在线校准的特点是被校测温系统各组成部件保持不动,利用现场加热设备作为热源,以经过校准后的测温系统作为标准与被校测温系统进行比对。

2.3 离线校准与在线校准的关系

离线校准是测温系统准确性的基础,而在线校准是测温系统准确性的关键。两者互补、缺一不可。

2.3.1 便携式在线校准仪

便携式在线校准仪由热电偶、补偿导线、测温仪这3个部分组成。新型便携式在线校准仪如图1所示。

图1 新型便携式在线校准仪

便携式在线校准仪的主要技术指标如表2所示。

表2 便携式在线校准仪的主要技术指标

每台校准仪均带有国家认可实验室的校准证书,且证书所示误差为便携校准仪的整体误差。这便于溯源,以及在现场随时检测温度系统的准确性。尤其当炉温发生争议时,便携式校准仪进行现场校验具有准确度高、现场使用方便等优点,因而得到热处理企业的广泛应用[5]。

2.3.2 带有校准孔的专用热电偶

带有校准孔的专用热电偶既可用于对炉温的测量与控制,又可在需要在线校准时提供校准孔。标准器测量端与被校传感器的测量端间距小于5 mm。带有校准孔的专用热电偶已在诸多热处理厂应用[6]。带有校准孔的专用热电偶如图2所示。

图2 带有校准孔的专用热电偶

2.3.3 防漏、可更换、带校准孔的热电偶

为了解决真空系统的在线校准问题、防止打开校准孔前或校准过程中因保护管破损造成真空炉漏气而致使炉内发热体或工件氧化或烧损,我国研究者在原有带校准孔热电偶基础上增加防漏装置。这可确保即使外保护管或校准孔破损,仍可更换控温热电偶或实施在线校准[7],适合真空热处理行业用户使用。

2.4 测温系统在线校准的应用

2.4.1 在线校准的优点

在线校准的优点如下。

①减少热处理炉上的温度系统拆装频率,降低因多次拆装造成损坏的可能性。

②及时发现测温系统失准的问题。在线校准可在生产时随时进行,以便及时发现测温系统失准问题。

③延长热电偶外部送检周期、降低成本。为了确保测温量值准确,热电偶使用一段时间后必须送计量室校准。在线校准可随时在现场抽检测温系统准确性。这可以在一定程度上延长热电偶外部送检周期、降低企业成本。

2.4.2 应用案例

沈阳某热处理厂大轴淬火后出现裂纹,经现场在线校准,被测温度系统的温度与在线校准仪的温度偏差约为60 ℃。通过分别排查热电偶、补偿导线、测温仪表等温度系统组成部分,发现问题出现的原因是补偿导线使用不当。针对该问题,热处理现场工作人员及时更换了补偿导线,以避免产生更多损失。

在线校准仪与带校准孔热电偶的配套使用,可为热处理现场工作人员及时发现问题提供便利。热处理生产企业无需在炉子上另外设计热电偶的校准孔。带校准孔热电偶已成为热处理行业的标配。在线校准是热处理现场有效的质量控制方法。

3 难熔金属热电偶的发展与应用

熔点超过1 935 ℃的难熔金属或合金构成的热电偶称为难熔金属热电偶。其中,钨铼热电偶应用较为广泛。

3.1 钨铼热电偶的特点及分类

3.1.1 钨铼热电偶的特点

①钨铼热电偶的电极材料熔点高,约为3 300 ℃。

②钨铼热电偶的热电动势较大、灵敏度较高。其电动势率分别是贵金属热电偶S型、B型的两倍和三倍。

③钨铼热电偶成本低,约为贵金属热电偶的10%。

④钨铼热电偶在空气环境中极易氧化。其热电偶丝在高温下会因晶粒长大而变脆。

⑤工业钨铼热电偶属于不可拆卸型结构。

3.1.2 钨铼热电偶的分类

(1)按分度号或合金成分分类。

①A分度号的钨铼5-钨铼20热电偶:正极质量名义成分为95%钨、5%铼;负极质量名义成分为80%钨、20%铼。

②C分度号的钨铼5-钨铼26热电偶:正极质量名义成分为95%钨、5%铼;负极质量名义成分为74%钨、26%铼。

③D分度号的钨铼3-钨铼25热电偶:正极质量名义成分为97%钨、3%铼;负极质量名义成分为75%钨、25%铼。

(2)按适用环境分类。

①适用于常规氧化性气氛(如空气气氛)的钨铼热电偶,一般采用氧化物作为保护管,例如氧化铝陶瓷保护管。

②适用于真空、惰性气体及干燥氢气的钨铼热电偶,需采用难熔金属类保护管,例如钼保护管、钨保护管等。

3.2 钨铼热电偶防氧化技术

国际上关于钨铼热电偶的防氧化技术一般为物理法,即抽真空防氧化法。我国研究者经三十多年不断改进,采用化学法防氧化即实体化技术防氧化,开发出拥有自主知识产权的特种钨铼温度传感器,为钨铼热电偶拓宽应用领域。国内外钨铼热电偶性能对比如表3所示。

表3 国内外钨铼热电偶性能对比

由表3可知,我国开发的工业钨铼热电偶,不仅价格便宜,而且有些性能居国际领先地位。这表明我国钨铼热电偶防氧化的理论研究与生产制造已达世界先进水平。

3.3 钨铼热电偶的校准

钨铼热电偶的常用校准规范及注意事项如下。

①(0～1 500)℃钨铼热电偶校准规范(JJF 1176—2007)[8]。根据JJF 1176—2007:在0～1 500 ℃校准时,应特别注意区分氧化气氛与保护气氛的校准;难熔金属保护管的钨铼热电偶只能在真空与保护气氛下校准;如果在氧化气氛中校准,不仅会导致保护管氧化,还会损坏钨铼热电偶,更会严重污染贵金属热电偶控温的检定炉。

②1 500 ℃～2 300 ℃套管式钨铼热电偶校准规范(JJF(军工)105—2015)[9]。JJF(军工)105—2015使用黑体空腔和光电高温计进行校准。

③热电偶钯点熔丝法校准规范(JJF 1926—2021)[10]。JJF 1926—2021仅针对钨铼热电偶丝在钯点(1 554.8 ℃)时的热电特性。

3.4 特种钨铼热电偶的发展与应用

当前,随着航空航天等高新技术的发展,对高温、超高温测量的需求越来越强烈。综合考虑复合参数工业环境,需有针对性地设计、开发新型钨铼热电偶。国内新型钨铼热电偶已在多种工业领域应用。

新型钨铼热电偶应用及使用寿命如表4所示。

表4 新型钨铼热电偶应用及使用寿命

国内生产的钨铼热电偶基本可满足严酷环境测温要求,现已替代进口钨铼热电偶。钨铼热电偶的应用如表5所示。

表5 钨铼热电偶的应用

钨铼热电偶替代贵金属热电偶,可为国家节省外汇、为企业降低成本超亿元。

4 进口温度传感器国产化研究与应用

改革开放以来,我国进口了大量的先进设备,同时也进口了多种温度传感器。进口传感器性能稳定、可靠性高,但价格昂贵、供货周期长,难以满足我国生产需要。

几十年来,在紧跟世界前沿技术的同时,我国努力开发出多种具有自主知识产权的温度传感器。研究应用经验和成果如下。

(1)对于前沿技术,不能急功近利、简单模仿。

(2)从理论上搞懂、结构上搞清,才有可能成功。

①热处理的多用炉、渗碳炉用热电偶。在20世纪90年代初,进口产品的使用寿命可超过一年,而国产产品仅有一个月左右。应某轴承厂的要求共同开发的渗碳炉专用热电偶开发过程为:首先,针对使用环境选择耐高温、抗渗碳的材料;然后,从结构上隔绝还原气体同热电偶丝的接触,开发出专用热电偶。所开发的专用热电偶经一汽、二汽及Ipsen公司等二十多年使用,表明其可以替代进口[1]。

②辉光离子氮化炉专用热电偶。所研制的新型辉光离子氮化炉专用热电偶可以替代进口产品。一年多的使用结果表明,其性能稳定可靠、寿命长,为企业带来较大的经济效益。

(3)对于先进的传感器,既要虚心学习,又要敢于创新,以形成开创性技术。

①以廉金属替代贵金属热电偶:以N型可拆卸热电偶替代铂铑热电偶;以N型铠装热电偶替代S型铠装热电偶。

②以难熔金属热电偶替代贵金属热电偶。

目前,带校准孔热电偶已成为热处理行业的标配。国内外多用炉、渗碳炉专用热电偶性能对比如表6所示。

表6 国内外多用炉、渗碳炉专用热电偶性能对比

5 经验总结与发展建议

经过五十多年来紧跟世界高温测量前沿技术,本文总结经验如下。

①在1 150 ℃以下,建议采用N型热电偶替代S型热电偶。自20世纪80年代起,我国研究者一直在寻找契机,使在1 250 ℃以下的温度尽可能用N型热电偶替代S型热电偶。以某用户为例,每年仅用N型热电偶替代S型热电偶一项就节约测温成本35万元。

②在1 200 ℃以下,建议采用N型铠装热电偶替代S型铠装热电偶。

③在1 400 ℃以下,建议采用S型或C型热电偶替代B型热电偶。

实践证明:对于温度传感器,进口的不一定是最好的、价格最贵的不一定是最佳的,只有量身定制的才是性价比最高的。

高温测量行业的从业者选择合适的温度传感器,可以考虑以下思路。

①了解应用需求。从业者需要了解测量的具体应用场景,例如冶金、能源、材料研究等领域。不同的应用场景对温度传感器的性能要求不同,因此需要根据具体需求选择适合的温度传感器。

②确定测量范围。高温测量通常涉及较高的温度范围,因此需要选择能够测量高温的温度传感器。常见的温度传感器包括热电偶、热电阻、光学高温计等。它们在不同的温度范围内具有不同的测量精度和稳定性。

③考虑安装方式。温度传感器的安装方式对其测量精度和稳定性会产生影响。在选择温度传感器时,需要考虑其安装方式是否适合应用场景,例如是否需要在线测量、是否需要接触被测物体等。

④关注传感器材料。不同材料制成的温度传感器具有不同的化学和物理性质,因此在高温环境下工作的传感器需要考虑材料的耐高温性能、稳定性、抗氧化性等。

⑤了解校准和维护。高温测量需要精确的校准和维护,因此需要选择具有良好校准性能和便于维护的温度传感器。

⑥探索新型传感器技术。随着科技的不断进步,新型传感器技术也不断涌现,例如柔性温度传感器、纳米温度传感器等。这些新型传感器技术在高温测量领域的应用前景值得关注。

6 结论

本文主要分析和总结国际高温测量技术研究以及温度传感器的开发工作,旨在为高温测量行业从业者在选择合适温度传感器时提供新思路。高温测量行业的从业者需要全面考虑应用需求、测量范围、安装方式、材料选择、校准和维护以及新型传感器技术等多个方面,才能选择合适的温度传感器,以满足高温测量领域的不同需求。