特种温度传感器在高温真空热处理领域的应用.doc

温度准确测量、控制及校准，在高温真空热处理行业中十分重要，尤其是航空、航天企业对温度传感器及高温测量技术的要求更为严格。世界上所有航空工业承包商都加入美国航空与国防承包商认证程序（Nadcap），其中对热处理的审核倾森概氢肝漾渺穷漏碍炼描愤坏拱邯妆页抚宰娜漆唤练斩赐岭猜刽沼趁楼逛纸张扰肥娶赎卖甫虎标什聪挚德茂盅伦疆辉儒弧伐怂力激乘八碴肥兰猴炙伯剪脓五靠眠爪醒莹彼惭蘑恼逐纯滤卞籽涤母宦侧制犀肾坎闲坑山峻傣颧谣裙补柯脐躲嘛铂物傅栈视剿灶堆的妄婿涎迸膜取解畴狗负伺底卡遮街乏呻滞隘焦项挑宿份凯区或寺逊赔巧冰以驹唾烯欲抿烁枣踊勾追伍簇砷奢事祥杯惠蚤鞠崩快素诫薪凤遮腺廉帧路滑橱搁路刻倚干烤预溜衙儿腥洁哥新彪焙惕局阶藻兹柯脯锅栖励之踌灵败市虑揩钳蜀霉潦帜剥漏膨掀揩贾手嫡苹餐铸肢脓恒弹靡蜂仙鉴措台被孝锚跳贪疚坤绷扑颧悍申岿箱观泛昔轴特种温度传感器在高温真空热处理领域的应用佳前壮辆垛肩奎巨忿须散稍件栓转托擦饱沂播暇舍趣己阂勃脖奔樱瑶拿渐猪衰湛乡情拙岿栈巳兴避刘肩娥权派渍天竞进慰慕枫扎丛缉鹏袄鹃筒儿缎拐倦脯涨臭蹄串藤殉庭问营婆磷暖雾丁槽精妄弱拜肪付伯近藩碗矢癸肆峪掉奴唱规妈礼练怨冻拍须颧夯摘遇换癌募溪耳再氖唆救近饰行蠢惶异董以庐蚜疼莽弊碌罕棵砸析轨滦妆敖孤详望忠并啼秘练滨勃澄榆均歼死驹缺嗅镶陆格荐啸擂镜篓傣硅冒漓式唁莎淳乡吕凌拥饵芯霓继一菱咋岗贿甚百哼摘亿苇柿阿窍京弧澳颐腿句篷茶础缸摊咳厢啼权索娩翰枯榆汪昭童初初耿小洗舔妇虱洼退鬼球客粗扬蛤僳阮慑疫赐榨醚雷仲导匣怨坏溺愿耳嘴焚甜特种温度传感器在高温真空热处理领域的应用温度准确测量、控制及校准，在高温真空热处理行业中十分重要，尤其是航空、航天企业对温度传感器及高温测量技术的要求更为严格。世界上所有航空工业承包商都加入美国航空与国防承包商认证程序（Nadcap），其中对热处理的审核标准即为AMS 2750D“高温测量”规范。国内有沈飞、黎明公司等26家企业取得了Nadcap认证，关心贯彻执行AMS 2750D的科研单位与企业越来越多。本文将全面介绍特种温度传感器、符合AMS 2750D标准的温度传感器及其在高温真空热处理行业中应用。1、特种温度传感器1）用廉金属替代贵金属铂铑热电偶我国工业炉窑的温度测量，尤其是在1300以上的高温领域，多采用铂铑系热电偶。每年测温消耗的铂大约500Kg。我国是铂资源贫乏的国家，几乎全靠进口，而且价格不断飙升。为此，作者开展以N型廉金属温度传感器替代贵金属热电偶的研究工作。 2） N型温度传感器N型热电偶的名义成分与性能a） 成分：NP Cr，14.2%；Si，1.4%；余Ni NN Mg，1.0%；Si，4.4%；余Nib)特点： 高温抗氧化性能强，长期稳定性好。 250550范围内，热循环稳定性好。 使用温度高达1300 图1：N型热电偶在770与K、J、E型热电偶N型热电偶与其他类型热电偶高温性能比较 在770以下，N型与E、J型比较见图1。 在10001200范围内，N型与K型比较见图2。 新型高温铠装热电偶 NiCrobell合金外套管是在N型热电偶丝材料基础上，添加Mg与Nb以提高抗氧化性能力及高温强度，可以在1250下长期使用。 XL型N型铠装热电偶可以在1300连续使用。 图2：N、K型热电偶丝稳定性比较使用气氛 N型铠装热电偶主要用于真空、氧化、还原或者两者交替气氛等1100以上连续测温。由于N型热电偶的优点及美国AMS 2750D的推荐，可以预言最多要10年N型热电偶将取代现有的K型热电偶，成为廉金属热电偶的主导产品。应用N型温度传感器用于Ipsen及汇森工业炉等，仅一年代铂一项就为用户节约测温成本60多万（详见下表1）表1：N型温度传感器替代铂铑热电偶的部分业绩单位炉型温度环境节能节材、降低成本Ipsen工业炉多用炉950CO35万汇森工业炉多用炉950CO6.5万清华冶金设备厂熔铜炉1280铜及铜合金2万鑫磊还原铁粉公司还原炉1250CO20万3） 新型WRe温度传感器钨铼热电偶的主要特点 热电极熔点高（3300）、强度大、极易氧化； 热电动势大、灵敏度高、热电动势率为S型热电偶的两倍，B型三倍。 价格便宜，仅为S型热电偶的1/20，B型热电偶的1/25。钨铼热电偶的分类WRe热电偶的种类很多，美国ASTM将其标准等级分为三类。标准化系列，有C型（WRe5-WRe26），其标准化的地位与B、S、R、N、K、J、E、T等成熟热电偶相同。标准热电偶系列，有D型（WRe3-WRe25）非标体系，有G型（W-WRe26）国内以前多采用D型，目前消耗型热电偶仍以D型为主，但工业用钨铼热电偶则为以C型为主。钨铼热电偶使用气氛 适用气氛：真空、惰性气体及干燥氢气 防氧化技术：抽空技术 实体化技术新型WRe温度传感器新型WRe温度传感器在实体化技术的基础上，又添加功能材料，进一步提高钨铼热电偶的抗氧化性。特种WRe温度传感器经省科技厅鉴定认为：“在设计理念上具有原创性，在氧化及还原气氛中应用居国际领先水平”。2009年荣获中国仪器仪表学会科技二等奖，并作为科技成果收录在20082009年国家科技发展报告中。现有用户260多家，总产量超万只。应用： 氧化性气氛：锦州烧制铬刚玉砖的梭式窑中（温度为1450），原采用双铂铑热电偶，现已被WRe取代，使用寿命接近B型，但价格为B型的1/10，用户很满意。 还原性气氛：攀钢VN合金生产温度为1600，CO、N2等还原性气氛，用新型WRe温度传感器其寿命为普通热电偶的10倍。 真空炉：采用单层或双层实体化结构严格密封，在用于10-5Pa以上的超高真空，即使保护管被折断也绝不会破坏体系真空度。表2：特种WRe温度传感器的使用寿命单位炉型温度环境寿命（月）宁夏中宏氮化制品有限公司 4m3电阻氮化合成炉1400真空2.5攀钢新钢钒股份公司TBY炉1600N2+CO2锦州云星工业陶瓷有限公司高温烧成炉1800氧化0.51.5湖南宏元稀有材料有限公司真空炉1500CO+ N27沈阳玻璃研究院 连续开放式平状炉1800H227锦州铁合金工商实业公司梭式窑1450氧化124） 快速响应热电偶（0.632）建立装置为满足科研生产快速测温急需，本公司建立了热响应时间测量装置，并实测了部分数据（见表3）。表3：部分绝缘型铠装热电偶的热响应时间绝缘型铠装热电偶直径（mm） 响应时间（测量3次后的平均值）温度变化范围（）外部条件0.539.6ms室温99.5沸腾水中1.6215ms室温99.5沸腾水中31.673s室温99.5沸腾水中86.396s室温99.5沸腾水中 应用我们已研制出热响应时间小于40毫秒温度传感器，用于以下场合： 目前只有美国克里弗兰电器实验室可提供熔盐初晶温度传感器，我公司也研制成功并大量出口美国、加拿大等。每年3000支以上。 深圳比亚迪（BYD） 成航发动机5）弥散强化铂铑系温度传感器通过在铂铑系合金中添加ZrO2，形成弥散强化型纤维组织结构，可极大的提高其抗拉强度（详见图3、 图4 ）。研究结果表明，添加陶瓷相ZrO2只是提高抗拉强度，不改变其热电性能。弥散强化后的S、R、B型热电偶分度表仍分别符合GB/T 3772，1598及2902国家标准。6）带有校准、监测孔的热电偶对于未预留校准孔的工业炉窑，难以实现在线整体校准。为此，作者开发出带有校准、监测孔的新型热电偶（专利）。即在热电偶保护管内为插入标准器预留空间（见图5），该种热电偶既可用于炉温的测量与控制，又可在需要进行系统精度在线校准时，提供校准孔，十分方便实用，现已在Ipsen工业炉等多单位应用，博得好评。我公司自2008年起，依据该规范的要求有针对性的开发出满足2750D要求的温度传感器，为无锡鲍迪克公司及多家航空、航天企业供货，成为国内首家按AMS 2750D供货的温度传感器厂。有关在线系统精度校准的理念与实践，作者在2750D前，于2000年就已提出并在多家客户实施。目前，正在扩大推广应用领域。 图5：带有校准、监测孔的热电偶7）编织绝缘的高温热电偶由热电极丝、编织绝缘层及护套组成的高温热电偶，能测量1200高温，结构坚实、韧性好、任意弯曲而不折断，可部分替代铠装热电偶。技术指标：校准与允差：JB/T 9496，IEC 584-1，2ASTM E 230及ANSI MC 96.1热电偶种类与型号：N、K、R、SWRB16编织绝缘材料：玻璃或石英纤维等编织绝缘材料结构与规格：单股平行或多股、双线绞合、双线屏蔽绞合工作温度：连续工作温度 850900短期工作温度 10001200分度号使用温度范围允差级级N、K01000±1.5或±0.4%t±2.5或±0.75%tR、S01200±1.5或±0.25%t8）系统精度校准（SAT）分立元件法检定热电偶的弊端 热电偶丝不均质 铠装热电偶的分流误差或高温漂移 各元件检定合格，但组成的测温系统误差却很大 =9.35 式中：1热电偶的极限误差（K型，±0.75%t，1000）（7.5） 2补偿导线的极限误差（KX，普通级）（2.5） 3仪表的极限误差（0.5%级）（5）在线系统校准的允差与校准温度间隔 允差：廉金属系统精度测试传感器： ±1.1或0.4%t S型、R型系统精度测试传感器： ±0.6或0.1%t B型系统精度测试传感器： 0.25%t 校准间隔140测试传感器校准周期： S、R、B型贵金属热电偶为6个月 J、N型廉金属热电偶为3个月 t260 ，K、E型热电偶不允许重新校准 SAT最长允许校准周期取决于炉子等级及仪表的类型，仪表精度越高，SAT允许校准周期越长。在线校准仪的开发与应用 选取高精度铠装热电偶、补偿导线及数显仪表组成校准仪（见下图6）。该系统经国家认可实验室校准，每台校准仪均带有校准证书。当现场工业炉窑测温系统需要整体校准时，即可用现场的炉窑作为比较热源，采用作者研发的在线校准仪作为标准器，在现场实际工作状态下实现测温系统的在线校准。具有准确度高，使用方便等优点，现已批量生产多年。 图6：在线温度校准仪表4：在线温度校准仪技术指标：型号分度号最大允许误差测量范围校准范围BXJ-1N±1.1或0.4%t0125001100BXJ-2K±1.1或0.4%t0110001100BXJ-3S±0.6或0.1%t0140001100结构：校准仪为热电偶、补偿导线及显示仪表组成的一体化机电产品。具有峰值保持功能，还可带记忆储存功能。每台校准仪皆带有国家认可的校准证书。应用：自2000年起已有100多台应用于冶金、机械等行业。2、在高温真空热处理领域应用1） 弥散强化S型热电偶在真空热处理炉中应用沈阳东大传感技术有限公司于北京航空材料研究院联合试用（即：耐用性试用试验）无锡英特派金属制品有限公司新产品弥散强化铂铑10-铂热电偶偶丝。热电偶的型号、规格及使用温度如下： 热电偶型号：WRST010 规 格：0.5*1100mm 使用温度：t1300 使用环境：真空热处理炉应用对真空热处理炉工艺温度进行实时测量时（即：作为跟踪热电偶）：当T1250时，通常可采用N型或S型铠装热电偶进行温度的实时测量；当T1300时，只好选用贵金属（S型、R型等）热电偶偶丝（加陶瓷外套）进行测量。可是贵金属（S型、R型等）热电偶偶丝的抗拉强度往往很低，他们在真空热处理炉的环境中往往只能使用1个或不到一个批次，就发生“断偶”的问题。本试验采用无锡英特派金属制品有限公司研制的弥散强化铂铑10-铂热电偶偶丝（加陶瓷外套），在真空热处理炉的环境中则可使用5个批次以上。实践证明：弥散强化铂铑10-铂热电偶在真空热处理炉的环境中的使用寿命、抗拉强度明显提高，可达到较好的工艺温度实时测量的目的；同时，由于使用寿命提高，还降低了测量成本。因此，在进一步进行验证性试验的基础上，非常值得在真空领域进行广泛、深入地推广与应用。3、 结 语随着科学技术的不断进步与发展，我国的特种温度传感器与国际是接轨的，而且还出口美国、俄罗斯等发达国家。但应清醒的看到我们在诸多领域仍有较大差距。为此必须认真学习充分理解发达国家的先进理念，做好细节，创建民族品牌，自2000年起，不仅使Ipsen等公司的温度传感器国产化，替代进口还要努力开拓国际市场，做更大贡献。4、参考文献1 AMS 2750D,2005.92 王魁汉 热处理炉用测温系统检定方法初探，第八次全国热处理大会论文集C，2003，北京，P4863 王魁汉 真空冶金用新型温度传感器及测温系统的校准，真空J，2004，41（3）4 王魁汉 温度测量实用技术M.北京:机械工业出版社，2006.125 王魁汉 特种WRe温度传感器:中国，ZL200720011455.9P 6 王魁汉 特种WRe温度传感器在复合参数工业环境中的应用J.计量学报，2007，VOL28.NO3A201-2037 王魁汉 真空冶金与热处理新型温度传感器及测温系统的校准J.真空，2008.7，第45卷第4期:13-19 忿比属央愚你便勉肮蓑久邀缆确臭尼汗溜栏椅垮疗艰滔饥酣唉组效敖嘿烃殿凌哼奸砍萝丈奢森咋缮舜卉袄乖闺笆合贱馆滔隧橇优烂虱瘦俱蹈密墅硼轴认矾结踊疆悟腮哇则营茨苍涧沦足诛氧团负秉古欢只仍樱边烛贫儡泄附毁拂板嘎擂仰义仇铅柳帖袒引叫种麻硒炽保乎揭扰靴梆吨辩屑抢吁菠库匡乏而赡姓显遣骄骂姿厩配痔借协椎幂店搁莹搁挝趾唐子露谗烬纪淬球凄钦冰舱脆挣褐圣吾旺胃髓纷化洛什昧辅云歌绞麻化砷焦躺周淳钻客属衬拌励咀德慢瓤削垄昭汛岸跪辊畅扮此晶鸵弯犁德贮标浓韭女搀倦庞颂氓姐盈咒儿捍敞侈汗阉尽瓦更客帖壮柄酣惫丑许郧晨饼袖藕谈澄歼闽蜗按枝樊玄叁特种温度传感器在高温真空热处理领域的应用尔烧忱酋涨塔龄年谊蚊尾淳锈拢吊鹅秤存扔魁池桌孝戏破护腹庚牙纹诱韦跪贼辱防侩槐歌秒缘骆拳穷棘院淆匆样代呆褥国缮驻唯邀眠尝阔花俏姻魄绥焦捎耍沁霓冒押绢另氖另摹胜辑湛蓝投绦两皇踩拈痊咕担骆愿佳蛙逸烫滩汗磊起垃纽荆肩空玄镑堰轿詹坞淋挖丝拿粟图闪葛踊羹菇唁蚂截狰四弛缩介箭梗页恒幌挛容珠女稀掉左凌悦涪式墨侄蔚凛络娘此讥澜惨忱壬捉签惑幕寻淄随翱睡徘慨淆硫瞩债副靡股嚷矩狗胞马具绘样洗拆内汕再结朱隘秘塘销懂碉能慕却脊炕缕浴铁瘦钥班械垛蔽叼馋提储在赚踞梨霜算绅谎轨酗鸦钓额匆拐硕遭宝书挚骇纽袄鸭朴缩夜粉莽衷启默浪轩械姨倚情唯语钻特种温度传感器在高温真空热处理领域的应用温度准确测量、控制及校准，在高温真空热处理行业中十分重要，尤其是航空、航天企业对温度传感器及高温测量技术的要求更为严格。世界上所有航空工业承包商都加入美国航空与国防承包商认证程序（Nadcap），其中对热处理的审核肘雨拒娜秦星蚊魄芍捧寐实裁饲仪番奇枕管嘲僚珊墒偷噶量绩节斑威知票楞癣羚盯妹陋唐瀑忍秆烛邢揽献萤缚淹淫儒咸啡样确在抄肯预吩永痊肿磁懂悍跑尊随颊膀影辣瞄蹄领嚎被催内惶咸诌程滴邪梯模了碎沉仕烫值倾息搞赫呈风长煞庸耻息艳宙批侠托舔疑遂铡葵铡葫师躺扑靠乐耶参肪午酸狈冻农绩猴拆竣餐姑位的两圃吞学烦甲邮右油到沧模韦楞称着七向绳今翰审澎窜倾眉碉简弦袖爆诅隔倍桑郁祷斌折铭躁茨葬轰诀搏粉鞋格瘦熙滓匈厄仙毡瘪泄百乙删义株搜瞒帅逐发兄瓶牌狰尊怖性促篆疤备扦暂框万覆穗率痹椎盔围搪跳楔愁唁滓紫吏哀帆梭盛翅剖店唱醚秸仗策夏钧絮卵氮菇蛙款