真空炉用新型温度传感器及测温系统的校准.doc

真空炉用新型温度传感器及测温系统的校准2008-1-16 11:08:55王魁汉1，禇嘉宜2，吴玉锋2（1. 沈阳东大传感技术有限公司，110004；2. 东北大学材料与冶金学院，110004）摘要：从真空冶金及热处理行业的精确生产及优质高效的整体战略出发，阐述真空冶金用新型温度传感器，探讨真空炉有效加热区测量过程中，可能出现的误判及真空炉用不可拆卸热电偶在检定过程中存在的问题，详细论述了真空冶金炉用测温系统。目前采用分立元件检定的弊端，倡导采用现场整体在线校准法，以求进一步提高测温精度。关键词：真空冶金；温度传感器；钨铼热电偶；分立元件法；整体在线校准High-temperature Sensor for Vacuum Metallurgy andCalibration of Temperature Measuring SystemWang Hankui1，Chu Jiayi2，Wu Yufeng2(1.Shenyang Northeast University Sensor Technology Corporation. Ltd. 110004, 2.Material and MetallurgyAcademy of NortheastUniversity, 110004)Abstract: From high quality and efficiency strategy of vacuum metallurgy and heat treatment industry, the new temperature sensor for vacuum metallurgy has been expatiated. It has been discussed that the miscarriage of justice which may appear in the measuring process of efficient heating region of vacuum furnace and the problem of non-removable thermocouple for vacuum furnace during assaying. The shortcomings of discrete element assay that applied by the temperature measuring system of vacuum furnace has been dissertated in detail, and the locale bulk on-line calibration has been advocated to increase the temperature measuring precision.Key Words:vacuum metallurgy；temperature sensor； tungsten-rhenium thermocouple； discrete element method；bulk on-line calibration0引言随着科学技术的发展，真空冶金及热处理技术已广泛应用于生产及科研领域等许多部门。某些高技术设备，必须以真空技术作为手段，才能实现其高技术指标。许多传统的工业领域，只有依据真空技术，才能使得产品性能大幅度提高。为了实现真空冶金及热处理行业的精确生产及优质高效的整体战略目标，温度的准确测量及控制是十分重要的。本文将介绍真空冶金用新型温度传感器不可拆卸热电偶的检定和测温系统的整体在线校准等热点话题。1新型温度传感器1.1高温热电偶1.1.1真空炉用热电偶众所周知，在1000以上的高温下，处于真空或还原性气氛的热电偶，将与介质发生化学反应，同时在热电偶内部，保护管、绝缘物与热电偶丝之间的接触反应及合金元素的挥发，也将引起反应，致使热电偶发生劣化。如果保护管内有微量氧、水或有被玷污的杂质存在，又将加速劣化进程。因此，要根据测量条件选择适当的材质，并进行严格管理，对延长热电偶的使用寿命起决定作用。当温度1000t1300时，真空行业多选S型，GH30保护管。S型热电偶，价格昂贵，而且金属保护管对铂铑有污染，影响测量精度与使用寿命，作者推荐钨铼及N型热电偶，价格便宜，仅为S型的1/2到1/3。1300t1800时，可选用S、B、WRe偶。t1800时，通常选用钨铼热电偶(5/26)，当温度t1800时，可选用B型热电偶。在核辐射的环境下，应选用Pt.5%MoPt.0.1%Mo及Ni.18%MoNi等特种热电偶。1.1.2钨铼热电偶(1)钨铼热电偶标准钨铼热电偶是伴随高温测量技术的发展而发展起来的，它具有热电偶丝熔点高、热电动势大、灵敏度高、价格便宜等优点。(2)使用温度WRe合金的熔点在3000以上，但是，高温下铼的挥发却很严重，致使热电偶的热电动势很不稳定。而且高温下钨丝极脆，故钨铼热电偶的使用温度限制在2300以下。(3)使用气氛因WRe合金极易氧化，故不能在空气及其它氧化性气氛中应用。适用于还原、惰性、真空、核辐射等环境的高温测量。(4)国产钨铼热电偶的精度国产钨铼热电偶不仅分度表与国际接轨，而且钨铼热电偶的热电性能也能达到国际标准 。为检测国产钨铼热电偶的精度，作者曾将国产钨铼热电偶丝送日本进行检定。结果如下：钨铼热电偶精度检定结果表明国产钨铼偶丝能达到美国HOSKINS公司同类产品水平。最近，又向卢森堡提供作者生产的钨铼热电偶WRe(5/26)，用于粉末冶金烧结炉。经CERA公司用标样校准，其测量精度达到了国外同类产品先进水平。物理性能国产钨铼热电偶丝的热电性能与国际是接轨的，但是其韧性欠佳，正极很脆，稍不留心就折断，国外钨铼热电偶的韧性明显优于国内，国产偶丝的韧性有待进一步提高。作者长期致力于国产钨铼热电偶的推广应用，潜心研究钨铼热电偶的长期稳定性3，并且已批量用于工业炉温度测量4。自2000年起，钨铼热电偶的用户在逐年增加，而且，在真空冶金行业尤为显著，2003年已达500支。相信伴随高温领域测温技术的发展，一定会有更大的发展。1.1.3抗氧化钨铼热电偶作者开发的抗氧化钨铼热电偶已获得国家专利5，既可用于氧化、还原气氛，又可在两者交替气氛中使用。自1992起年先后在沈阳真空所、塞尔公司、华翔工业炉、等真空炉应用。结果表明：钨铼热电偶的使用寿命与铂铑系热电偶相当，而价格仅为铂铑的一半。推广钨铼热电偶符合国情，势在必行。1.2高温用热电偶保护管为了选择适合的保护管材质,使用者应具有物理、化学及材料等多方面知识。高温用保护管的主要性能见表1。表1保护管的主要性能主要性能MCPT-4MCPT-6MCPT-3MPT-1Al2O3TlO2Si3N4结合SiC使用温度013000130001700010000130001000使用介质BaCl2铜及铜合金铁与钢铝液铝液、铜液铝液使用寿命h140010001020140012001400抗热震性128015反复30次不炸裂120015反复10次不炸裂160015反复5次不炸裂120015反复70次不炸裂120015反复10次不炸裂规格23152505003518250500164430012001625100025401000目前，国内的烧结钼管，规格为68，L=500600mm，作者使用结果表明，再结晶温度低，比较脆，性能有待进一步提高。1.3 高温用绝缘管通常采用MgO粉作绝缘材料，但在1200以上，其绝缘电阻急剧下降，而烧成后绝缘管的绝缘电阻，将比相同粉体材质提高10倍。因此，作为高温用绝缘管主要采用烧成的高纯Al2O3、BeO及BN管。2真空炉用热电偶2.1不可拆卸的热电偶作为真空炉专用热电偶，必须防止空去进入真空炉，因此，对真空炉的热电偶漏气率有要求，通常采用升压率指标来控制。作者开发的真空炉专用热电偶，采用实体化结构及密封性极强的接线方式，并且很好解决了金属与陶瓷封接，可以保证热电偶的升压率小于0.1Pa/h，即使保护管折断也不会破坏体系真空度，形成不可拆卸的热电偶，如图1所示。2.2金属与陶瓷复合管型铂铑热电偶2.2.1在高温下合金管存在问题目前，国内通常选用GH30或3P耐热合金作铂铑热电偶的保护管，在真空条件下使用，但由于高温下合金元素蒸气沾污铂铑，影响热电偶的测量精度与使用寿命。如果采用陶瓷管将可以克服上述弊端，但陶瓷的抗热冲击性差，强度低。若将陶瓷与金属复合管复合使用，将可以充分发挥两者的优势。2.2.2复合管的优点技术关键作者采用6mm刚玉管，其外部再套一个开口的耐热合金管，其长度视真空炉的大小及隔热屏的位置而定。上述结构既可以避免金属对铂铑的沾污又提高抗热冲击能力与机械强度。易普森工业炉提供的进口热电偶基本上采用此种复合管型结构。该种结构的技术关键是： 优质细直径刚玉管与绝缘管，尤其是优质4孔刚玉绝缘管，保护管难于制作； 为了防止热电偶泄漏气体，必须解决金属与陶瓷的高温封接技术。作者提供的 真空炉用复合管型铂铑热电偶如图2所示。在沈阳黎明公司热处理厂应用，替代进口产品，经过两年实践证明是可行的，正在逐步推广。2.3真空冶金用热电偶在真空冶金过程中，往往要测量高温熔体温度，如Nd-Fe-B合金等，采用钼基金属陶瓷保护管，钨铼热电偶间歇式测量熔体温度，在沈阳黎明、金昌普等单位已作为实用检测手段，长年用于生产工艺控制，取得良好效果。3真空炉用测温系统的检定3.1 分立元件检定法存在的弊端3.1.1装配式热电偶丝不均质影响经计量室检定合格的热电偶，在现场使用条件下通常是合格的，但是有时在现场使用却不合格。这种现象鲜为人知，未引起人们重视，影响因素如下:（1）热电偶材质本身不均质热电偶在计量室检定时，插入检定炉内的深度只有300mm。可是，当热电偶较长，使用时大部分偶丝处于高温区。而且，热电偶丝并非均质，尤其是廉金属热电偶丝其均质性较差，如果热电偶丝不均质又处于具有温度梯度的场合，那么其局部将产生热电动势，而引起误差。（2）热电偶丝经使用后产生的不均质对于新制的热电偶，即使是均质的，经反复加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变，也将失去均质性，而且使用中热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而引起热电动势变化，当劣化的部分处于具有温度梯度的场所，也将产生寄生电动势叠加在总热电动势中而出现测量误差。3.1.2铠装热电偶的分流误差（1）分流误差所谓分流误差即用铠装热电偶测量炉温时，当热电偶中间部位的温度超过800时，因其绝缘电阻下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差1。依据均质回路定则，用热电偶测温只与测量端与参考端两端温度有关，与中间温度分布无关。可是由于铠装热电偶的绝缘物为粉末状MgO ，温度每升高100，其绝缘电阻下降一个数量级，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使热电偶产生分流误差。（2）分流误差产生的条件分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关（见表2）。表2 铠装热电偶产生分流误差的条件影响因素条件铠装热电偶的直径直径越细，越容易产生误差。中间部位的温度中间部位的温度超过800，容易产生分流误差。中间部位的加热带长度中间部位加热带长度越长，越容易产生分流误差。中间部位的加热带位置中间部位加热带位置距测量端越远，越容易产生分流误差。绝缘电阻绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。热电偶的回路电阻K型与S型相比，因K型热电偶的回路电阻比S型回路电阻大，故更容易产生分流误差。 外径相同的铠装热电偶，热电偶丝越细，越容易产生分流误差。由上述讨论可以看出，分立元件检定法有诸多弊端，本来检定合格的产品，在使用中却有可能不合格，因此，建议最好采用在线整体校准法。(1)铠装热电偶的直径对长度为9米的K型铠装热电偶（MgO绝缘），只对热电偶中间部位加热。实验结果表明：分流误差的大小与其直径的平方根成反比（直径过细，不遵守此规律），即直径越细，分流误差越大。当中间部位温度高于800时候，对于3.2铠装热电偶将产生分流误差。但对于6.4及8铠装热电偶，当中间部位的温度为900时，仍未发现分流误差。对于6.4（热电偶丝直径为1.4）与8（热电偶丝直径为2.0）的铠装热电偶，当中间部位温度为1100时，直径为8的铠装热电偶，产生的分流误差仅为6.4的一半。此数值（50%）近似于两种铠装热电偶电极丝直径的平方比（1.42/2.02=0.49），而电极丝直径平方比，即为电极丝的电阻比，当中间部位的温度为1150时，采用直径为10特种铠装热电偶才有可能消除分流误差。因此，为了减少分流误差，应尽可能选用粗直径的铠装热电偶。(2)中间部位的加热温度如果中间部位的加热温度超过800，有可能产生分流误差，其大小将随加热温度的升高，呈指数关系增大。因此，除测量端外，其它部位应尽可能避免超过800，这是很必要的。为达到上述目的，可将铠装热电偶置入管内，再向管中通入空气或氮气进行冷却降温，将铠装热电偶中间部位的温度控制在800以下。(3)中间部位加热带长度及位置当中间部位的加热温度高于800时，中间部位加热带的长度越长，距离测量端越远，分流误差越大。因此，遵照上述原则，应尽可能缩短加热带长度，并且，不要在远离测量端处加热，以减少分流误差。(4)热电偶丝的电阻当铠装热电偶的直径相同时，分流误差将随热电偶丝的电阻增大而增加。因此，采用电阻小的热电偶丝更好。例如：直径相同的S型铠装热电偶同K型热电偶相比，其分流误差减少40%。为了克服K型铠装热电偶的缺点，沈阳黎明公司等采用S型热电偶测量炉内温场分布，费用虽高，但较准确。(5)绝缘电阻高温下氧化物的电阻率将随温度的升高呈指数降低，分流误差的大小主要取决于高温部分的绝缘性能，绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。当绝缘电阻增加10倍或减少至1/10时，其分流误差也随之减少至1/10或增大10倍。为了减少分流误差，应尽可能采用直径粗的铠装热电偶，增加绝缘层厚度。如果测量条件恶劣，上述措施无效时，只好采用装配式热电偶。(6)因使用不当而引起的测量误差一支合格的热电偶，如果使用方法不正确，也会引起较大的测量误差：插入深度不够，因导热损失致使测温偏低；热电偶测温是两端温度函数的差值，如果参考端温度处理不当，例如：有炉内火焰的喷出致使参考端温度偏高，也会引起测量误差；使用气氛的影响在还原性气氛中，K型热电偶正极中C因选择性氧化（也称缘蚀）致使温度偏低，甚至偏低超过100。因操作人员素质低下或者管理不善等因素引起的测量误差，不再叙述。由上述讨论可以看出，分立元件检定法有诸多弊端，本来检定合格的产品，在使用中都由于上述3种原因不合格，因此，建议最好采用整体校准法。3.1.3真空炉用测温系统在线整体校准法以热电偶为传感器的现场测温系统，应由热电偶、补偿导线及仪表等组成，按照现行标准，只能对适当部分单独进行检定。由误差理论可知，这三者检定都合格，组合起来并不一定合格。因此，很久以前就曾有专家呼吁推广整体校准法。最好能开展现场校准。为此必须提供标准器，即要求相对准确的现场校验仪，同被测系统以现场实际使用的工业炉为比较热源，进行校准。因此，首先要有相对标准的热电偶高温计。该温度计事先要经过计量部门检定，提供校准证书，用这种带有校准证书的温度计，就可以对被测系统进行现场校准，可是目前我们尚无准表，因此，作者已向国家技术监督部门建议起草有关数字温度计的检定规程。4 真空炉有效区的测定4.1 热电偶及测量系统的选择测量热处理炉有效加热区均匀性，通常选用K型热电偶，当t1100时选用S型热电偶。级K型热电偶的允差为0.75%t，在1000，允差为7.5。如果选购的9点测温用热电偶的允差分别为：4支误差为+7，5支为-7。虽然每支热电偶都合格，但其相互间的偏差为14，远远超出类、炉保温精度要求。如果再考虑补偿导线的允差2.5（普通级），那么，每支热电偶及补偿导线间的偏差会更大。因此，选用此种热电偶测量炉温均匀性，根本无法满足、炉测温精度要求，往往会出现误判或假象，应引起足够重视。针对上述情况，作者为用户提供的热电偶，必须经过精心选择，并带有补偿导线一并进行分度，使其相互间系统偏差在2以内，为准确测量炉温均匀性提供了必要条件。4.2 建议由铠装热电偶的分流误差的探讨中可以看出。遵照国家质量检验检疫总局有关热处理炉有效加热区测量方法要求4，提出如下建议：类热处理炉有效加热区的保温精度为3；类热处理炉有效加热区的保温精度为5，那么按照误差理论，作为检测系统的精度应该分别是1，8。才可忽略测量系统的误差对测量结果带来的影响。对于上述要求，如果采用分立元件检定法，即使采用该方法推荐的热电偶，也难以满足要求。若想满足测温要求，只能采取测温系统整体校准法。沈飞热处理车间在对加热区进行测量时，也是利用上述原理，在现场测温系统进行整体校准，以提高测量精度。热电偶的互换性对于开式炉等有效加热区的测量，需要10多个检测点，那么对于这些热电偶不仅要求精度更高，而且，互换性要好。对于级K型热电偶而言在1000下偏差为7的热电偶合格，7的热电偶也合格。由此板端的例子可以看出，如采用这种合格但互换性差的产品，测量精度为5的加热区是不可能。作者选用的热电偶，在室温下其互换性在0。5以内，高温下在24以内，这样才能满足要求。由铠装热电偶的分流误差分析可以看出，在高温下，廉金属热电偶较贵金属热电偶产生分流误差的可能性更大，因此，在高温下采用铂铑热电偶（WRS010型）较K型热电偶更难以产生分流误差。可是目前工业炉制造厂多采用较细（34）的铠装热电偶，当处于高温，并有温度梯度存在的情况下，很容易产生分流误差，应引起注意。补偿导线的影响对于廉金属而言，可采用精密级延伸型补偿导线，其精度较高。可是铂铑热电偶只有补偿型补偿导线，高温下误差较大。精密级补偿导线的误差为3。即相当于类炉对保温精度的要求。而且，型补偿导线元耐热级，使用温度不能超过100，对于普通级SC型补偿导线饿误