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高溫測量技術(shù)與新型溫度傳感器

來源：江蘇良昇科技有限公司 2013年03月26日 15:20

美國AMS 2750D“高溫測量”規(guī)范，并有針對性的開發(fā)出符合該規(guī)范要求的多種溫度傳感器、爐溫均勻性測試傳感器、帶有校準孔的熱電偶及在線溫度校準儀，現(xiàn)場使用表明：不需另設(shè)校溫孔，校準系統(tǒng)準確、使用方便。概述N型、新型WRe溫度傳感器的特點及用廉金屬替代貴金屬鉑銠熱電偶實現(xiàn)節(jié)能節(jié)材的應(yīng)用業(yè)績。

AMS 2750D、爐溫均勻性測試傳感器、在線校準、N型溫度傳感器、WRe溫度傳感器

1、 前言

隨著我國裝備制造業(yè)及航天、航空等國防工業(yè)的飛速發(fā)展，以及美國AMS 2750D“高溫測量”規(guī)范的貫徹與實施，對溫度傳感器提出更高的要求。我國已有沈飛、黎明公司等26家企業(yè)取得Nadcap認證，貫徹執(zhí)行AMS 2750D的科研單位與企業(yè)也越來越多，我公司自2008年起，依據(jù)該規(guī)范的要求有針對性的開發(fā)出滿足AMS 2750D要求的溫度傳感器，為無錫鮑迪克公司及多家航空、航天企業(yè)供貨，成為國內(nèi)按AMS 2750D供貨的溫度傳感器廠。

2、 新型溫度傳感器的開發(fā)與應(yīng)用

2.1、AMS 2750D簡介與貫徹

2.1.1、符合AMS 2750D要求的溫度傳感器

1）溫度傳感器的分類

依據(jù)溫度傳感器的功能與性能，將其分為7類：

①基準、標準

②一等標準

③二等標準

統(tǒng)稱測試傳感器

④系統(tǒng)精度測試

⑤爐溫均勻性測試

⑥控制、監(jiān)測及記錄

⑦負載

2）爐溫均勻性測試傳感器

AMS 2750D中對傳感器的精度要求與國標GB/T9452、航標HB5354-94及軍標GJ/B509A-1995不同，國標、軍標及航標中對熱電偶及補償導(dǎo)線的精度分別有要求，但在AMS 2750D中卻對由熱電偶及補償導(dǎo)線組成的測試傳感器系統(tǒng)精度提出要求，不再單獨分度或檢定。本公司近期為豐東熱處理及太原二所提供部分符合AMS 2750D要求的傳感器見表1，經(jīng)沈飛計量中心鑒定結(jié)果表明：在1000℃下，13支N型熱電偶（含補償導(dǎo)線）的平均偏差僅為0.85℃，用戶很滿意。

對于溫度t＞1300℃的真空爐溫度均勻性測量，如采用普通的S型裸偶，往往只能使用一爐或不到一爐次就發(fā)生斷偶問題，本公司開發(fā)出彌散強化型S型熱電偶（圖1）。經(jīng)北京航空材料研究院，用于t＞1300℃真空熱處理爐溫均勻性測試，結(jié)果表明可用5個爐次以上。

圖1：彌散強化S型熱電偶以及鉑銠合金及其彌散強化材料伸長與持久時間關(guān)系（在1400℃ 10.8MPa條件下）

表1：爐溫均勻性測試傳感器分度結(jié)果

序號	分度號	型號及規(guī)格						檢定溫度點及其對應(yīng)的溫度修正值（℃）
								750		890			1000		1140	1150
13001	N	WRNKT2-171/φ2*2000mm+500NX						-0.6					-1.0			-0.8
13002	N	WRNKT2-171/φ2*2000mm+500NX						-0.9					-1.3			-1.4
13003	N	WRNKT2-171/φ2*2000mm+500NX						-1.1					-1.2			-1.4
13004	N	WRNKT2-171/φ2*2000mm+500NX						-0.7					-0.9			-0.9
13005	N	WRNKT2-171/φ2*2500mm+500NX						-1.9					-2.2			-2.4
13006	N	WRNKT2-171/φ2*2500mm+500NX						-1.0					-1.3			-1.4
13007	N	WRNKT2-171/φ2*2500mm+500NX						-1.3					-0.5			-0.4
13008	N	WRNKT2-171/φ2*2500mm+500NX						-1.2					-1.6			-1.7
13009	N	WRNKT2-171/φ2*3000mm+500NX						-0.3					-0.4			-0.8
13010	N	WRNKT2-171/φ2*3000mm+500NX						-1.0					-1.3			-1.4
13011	N	WRNKT2-171/φ2*3000mm+500NX						+0.4		+0.3			+0.3		+0.2
13012	N	WRNKT2-171/φ2*3000mm+500NX						+0.4		+0.5			+0.4		+0.2
13013	N	WRNKT2-171/φ2*3000mm+500NX						+0.3		+0.1			0		-0.2
平均偏差：								-0.68-		+0.3			0.85		0.07	-1.26
序號修正值溫度點（℃）			分度號:S
			φ0.5*720mm+11MSC				φ0.5*650mm				φ0.5*630mm			φ0.5*740mm			平均偏差
			S1-1	S1-2	S1-3	S1-4	S3-1		S3-2		S3-3	S3-4		S3-5
450							+0.1		-0.8		-0.7	0		+0.1			-0.26
590							0		-0.9		-0.8	0		0			-0.34
600			-0.8	-0.7	-0.9	-0.9											-0.83
730							0		-0.9		-0.8	0		0			-0.34
740			-0.8	-0.7	-0.9	-0.9											-0.83
870							-0.1		-0.9		-0.9	-0.3		-0.2			-0.48
880			-0.9	-0.8	-1.1	-1.1											-0.98
1010							-0.2		-1.0		-0.9	-0.3		-0.3			-0.54
1020			-1.0	-0.9	-1.3	-1.2											-1.1
1150							-0.3		-1.0		-0.9	-0.4		-0.3			-0.58
1160			-1.1	-1.0	-1.4	-1.3											-1.2
1200							-0.3		-1.1		-1.0	-0.4		-0.4			-0.64
1300			-1.3	-1.2	-1.6	-1.5											-1.4

3）傳感器的zui大允許誤差

溫度傳感器的精度應(yīng)滿足表2要求。其中對系統(tǒng)精度測試傳感器的要求非常高，為±0.6℃或±0.1%t。國產(chǎn)Ⅰ級S型偶絲都不能滿足此精度。需特殊加工、精選或進口才有可能符合要求。

表2：AMS 2750D用傳感器及其校準

傳感器	傳感器的類型	用途	校驗		zui大允許誤差
傳感器	傳感器的類型	用途	周期	參照標準	zui大允許誤差
基準	R型和S型	一等標準的校驗	使用前，復(fù)檢：5年	NIST / 基準	無
一等標準	R型和S型	一等標準的校驗	使用前，復(fù)檢：3年	基準	±0.6℃或±0.1%t
二等標準	廉金屬或 R型和S型	測試溫度傳感器的校驗	使用前，復(fù)檢：R型或S型為2年；廉金屬為1年	一等標準	廉金屬：±1.1℃或±0.4%t 貴金屬：±0.6℃或±0.1%t
二等標準	B型	測試溫度傳感器的校驗	使用前，復(fù)檢：B型為2年	一等標準	B型：±0.6℃或±0.25%t
爐溫均勻性測量	廉金屬或B型、S型和R型	爐溫均勻性測量	使用前，復(fù)檢 B型、R型或S型為6個月 J型或N型廉金屬為3個月其他廉金屬不允許復(fù)校	一等或二等標準	±2.2℃或±0.75%t
系統(tǒng)精度測試	廉金屬或B型、S型和R型	系統(tǒng)精度測試	使用前，復(fù)檢 B型、R型或S型為6個月 J型或N型廉金屬為3個月其他廉金屬不允許復(fù)校	一等或二等標準	廉金屬：±1.1℃±0.4%t R型、S型：±0.6℃或±0.1%t B型：±0.25%t
控制、記錄和測試傳感器	廉金屬或B型、S型和R型	安裝在設(shè)備上	使用前	一等或二等標準	1類或2類：±1.1℃±0.4%t 3類至6類：±2.2℃或±0.75%t
負載傳感器	廉金屬或B型、S型和R型	負載溫度傳感器	使用前，復(fù)檢 B型、R型或S型為6個月 J型或N型廉金屬為3個月其他廉金屬不允許復(fù)校	一等或二等標準	±2.2℃或±0.75%t

4）傳感器的使用壽命

該規(guī)范又依據(jù)傳感器的損耗情況分為：

① 易耗型傳感器：編織絕緣的溫度傳感器（類似于包覆熱電偶）

② 非易耗型傳感器：鎧裝或裝配式熱電偶溫度傳感器

非易耗型廉金屬負載傳感器的壽命與使用次數(shù)取決于溫度（詳見表3）。

表3：非易耗型廉金屬負載溫度傳感器的使用壽命

使用溫度（t）	zui長使用時間或次數(shù)
t>1260℃	1次
1205℃℃	10次
980℃℃	30天或90次
650℃℃	90天或180次
t<650℃	90天或270次

2.1.2溫度測量系統(tǒng)的在線校準（SAT）

zui簡單的熱電偶高溫計是由熱電偶、補償導(dǎo)線及儀表等3部分組成。為了確保溫度量值的準確可靠，對新制或使用中熱電偶進行定期或不定期檢定是十分必要的。當(dāng)前，對于測溫系統(tǒng)的檢定有兩種方式：分立元件檢定與整體校準法，依據(jù)國家標準，目前只能對構(gòu)成測溫系統(tǒng)的元件及儀表分別進行檢定，即必須將使用中熱電偶從安裝位置上取下來，送*檢定，不能對測溫系統(tǒng)進行在線整體檢定。該離線方式存在如下問題：

1）離線式分立元件檢定法的弊端

①檢定合格的產(chǎn)品現(xiàn)場使用條件下有時卻不合格

△熱電偶絲不均質(zhì)

該種不均質(zhì)含熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)及經(jīng)使用后腐蝕老化引起熱電偶絲材不均質(zhì)，當(dāng)處于具有溫度梯度的環(huán)境必將產(chǎn)生寄生電動勢，疊加在總熱電動勢中而引起誤差。

△鎧裝熱電偶的分流誤差

鎧裝熱電偶的絕緣物為粉末狀MgO，當(dāng)使用溫度超過800℃時，其絕緣強度急劇降低。作者曾實測進口與國產(chǎn)N型鎧裝熱電偶電纜兩極間的絕緣電阻（表4），結(jié)果表明，使用溫度超過1000℃，尤其是超過1200℃，其絕緣強度很低，極易產(chǎn)生分流誤差。即出現(xiàn)檢定合格，使用不合格的現(xiàn)象。

表4：進口與國產(chǎn)鎧裝熱電偶線纜兩極間的絕緣電阻與溫度的關(guān)系

直徑mm 絕緣電阻MΩ 溫度℃	進口		國產(chǎn)
直徑mm 絕緣電阻MΩ 溫度℃	Φ6	Φ3	Φ6	Φ3
30	∞	∞	∞	∞
100	∞	∞	∞	∞
200	∞	∞	∞	∞
300	∞	∞	∞	∞
400	∞	∞	∞	∞
500	∞	∞	∞	9000
600	10000	3240	2720	2190
700	1380	320	236	219
800	160	80	34	31
900	20	20	4.2	1.2
1000	2.3	4.1	0.34	0.14
1100	0.24	0.32	0.045	0.013
1200	0.03	0.03	0.003	0.002

②各元件檢定均合格，組合成測溫系統(tǒng)其誤差卻很大

由K型熱電偶（Ⅱ級）、補償導(dǎo)線（普通級）及數(shù)顯儀表（0.5級）組成的測量系統(tǒng)，當(dāng)t=1000℃時的綜合誤差為：

Δ=± = ± =±9.35℃

式中Δ1—熱電偶的極限誤差（℃）

Δ2—補償導(dǎo)線的極限誤差（℃）

Δ3—儀表的極限誤差（℃）

計算結(jié)果表明，該系統(tǒng)誤差無法滿足II類、甚至Ⅲ類熱處理爐的技術(shù)要求。

2）在線系統(tǒng)校準的允差與校準溫度間隔

①允差：廉金屬系統(tǒng)精度測試傳感器： ±1.1℃或0.4%t

貴金屬S型、R型系統(tǒng)精度測試傳感器： ±0.6℃或0.1%t

貴金屬B型系統(tǒng)精度測試傳感器： 0.25%t

zui近為江蘇豐東熱處理公司制作13支N型傳感器（含補償導(dǎo)線），經(jīng)沈飛計量中心檢定，其平均偏差（含補償導(dǎo)線）僅為0.85℃（見表1），故該系統(tǒng)精度為：

Δ=± = ± =±1.3℃

式中Δ₁—N型溫度傳感器的平均誤差（℃）

Δ₂—儀表的極限誤差（℃）

由此可見，符合AMS 2750D規(guī)范的測試傳感器，其系統(tǒng)精度可滿足II類熱處理爐的技術(shù)要求。

②校準間隔≤140℃

3）測試傳感器校準周期：

①S、R、B型貴金屬傳感器為6個月

②J、N型廉金屬傳感器為3個月

③t≥260 ℃，K、E型熱電偶不允許重新校準

SATzui長允許校準周期取決于爐子等級及儀表的類型，儀表精度越高，SAT允許校準周期越長。

4）在線校準儀的開發(fā)與應(yīng)用

選取高精度鎧裝熱電偶、補償導(dǎo)線及數(shù)顯儀表組成校準儀（圖2）。該系統(tǒng)經(jīng)國家認可實驗室校準，每臺校準儀均帶有校準證書。當(dāng)現(xiàn)場工業(yè)爐窯測溫系統(tǒng)需要整體在線校準時，即可用現(xiàn)場的爐窯作為比較熱源，采用作者研發(fā)的在線校準儀作為標準器，在現(xiàn)場實際工作狀態(tài)下實現(xiàn)測溫系統(tǒng)精度在線校準。具有準確度高，使用方便等優(yōu)點，現(xiàn)已批量生產(chǎn)多年。

圖2：在線溫度校準儀

5）帶有校準、監(jiān)測孔的熱電偶

對于未預(yù)留校溫孔的工業(yè)爐窯，難以實現(xiàn)在線整體校準。為此，作者開發(fā)出帶有校準、監(jiān)測孔的新型熱電偶（）。即在熱電偶保護管內(nèi)為插入標準器預(yù)留空間（見圖3），該種熱電偶既可用于爐溫的測量與控制，又可在需要進行系統(tǒng)精度在線校準時，提供校準孔，十分方便實用，現(xiàn)已在Ipsen工業(yè)爐等諸多單位應(yīng)用，博得好評。有關(guān)在線系統(tǒng)精度校準的理念與實踐，作者在AMS 2750D前就已提出并在國內(nèi)外多家用戶實施。目前，正在擴大推廣應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2、新型溫度傳感器的開發(fā)與應(yīng)用

2.2.1高溫金屬熔體連續(xù)測溫用新型溫度傳感器

鋼水連續(xù)測溫

采用MCPT-3型金屬陶瓷保護管，為清華大學(xué)和洛陽中重集團共同承擔(dān)的“超大型水輪機鑄鋼溫度測量”課題提供鋼水連測用新型溫度傳感器。

銅、鋁、鋅液連續(xù)測溫

采用金屬陶瓷保護管，既可以連續(xù)又可以間歇式測量銅液溫度，已在沈陽造幣廠等應(yīng)用多年。

采用N-SiC或Sialon保護管或特種鑄造合金保護管連續(xù)或間歇式測量鋁、鋅、鎂熔體溫度，已在東大三建工業(yè)爐、包鋁、寶鋼應(yīng)用。

圖4：銅、鋁、鋅連續(xù)測溫用溫度傳感器

3）熔鹽溫度測量傳感器

① 高溫鹽浴爐連續(xù)測溫

作者發(fā)明的MCPT-4型金屬陶瓷保護管，81年經(jīng)原機械部組織鑒定為*水平。在Bacl2熔鹽中經(jīng)美國試用證明：為美國常用的Inconel或446耐熱鋼使用壽命的3~5倍。30年來無替代產(chǎn)品問世。

② 間歇式測量熔鹽溫度

快速測量熔鹽溫度傳感器的特點精度高、響應(yīng)快、壽命長?，F(xiàn)大量出口美國、加拿大等發(fā)達國家。

該種傳感器的偏差與時間常數(shù)檢定結(jié)果見表5、6

圖5：隨即抽取150支φ1.6mm K型鎧裝熱電偶的時間常數(shù)

	時間常數(shù)τ_0.632 單位（ms）										平均值
1~10	219	290	189	193	261	254	238	198	282	213	233.7
11~20	211	280	246	183	142	232	237	289	248	242	231
21~30	275	263	222	324	168	175	245	198	297	307	247.4
31~40	299	211	243	198	174	183	244	274	283	277	238.6
41~50	236	263	198	234	204	241	172	190	207	211	215.6
51~60	193	264	245	230	216	248	233	249	228	174	228
61~70	261	290	274	245	213	166	266	274	243	183	241.5
71~80	254	312	154	169	245	257	282	263	285	234	245.5
81~90	237	213	242	307	277	200	290	211	243	199	241.9
91~100	212	274	238	214	222	298	243	208	289	180	237.8
101~110	249	169	311	209	269	236	205	271	273	225	241.7
111~120	189	310	165	245	231	211	212	286	242	192	228.3
121~130	254	244	257	264	156	301	187	235	314	246	245.8
131~140	213	193	183	321	198	237	212	211	232	268	226.8
141~150	284	301	198	246	261	253	178	268	275	271	253.5
平均值											237.14

數(shù)據(jù)分析如下：

1.時間常數(shù)τ0.632 zui大值為324ms。zui小值為142ms;

2.時間常數(shù)τ0.632平均為237.14ms;

圖6：K型熱電偶在800℃下的偏差

編號日期偏差	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	平均值
2010-1-28	-1.88	-1.7	-0.77	-1.15	-1.6	-1.97	-1.55	-1.29	-1.48	-1.18	-1.46
2010-2-2	-1.82	-1.83	-1.48	-1.08	-1.66	-1.34	-1.67	-0.95	-1.57	-1.45	-1.49
2010-2-4	-0.77	-0.38	-0.79	-0.59	-0.43	-0.01	-0.34	-0.13	-0.29	0.55	-0.32
2010-3-3	-0.9	-1.41	-0.91	-1.25	-1.2	-0.55	-0.78	-0.78	-1.22	-0.8	-0.98
2010-3-4	-0.9	-0.88	-1.02	-0.75	-1.05	-0.53	-0.91	-0.5	-0.72	-0.39	-0.77
2010-3-5	-1.05	-1.02	-1.25	-1.11	-1.59	-0.88	-0.8	-0.73	-0.91	-0.72	-1.01
2010-3-9	-0.72	-0.13	-0.4	-1.14	-0.65	-0.12	-0.35	-0.94	-0.54	-0.5	-0.55
2010-3-16	-0.47	-0.74	-1.03	-0.32	-0.04	-0.4	-0.15	-0.86	-0.27	-0.62	-0.49
2010-3-24	-0.77	-0.58	-0.45	-0.33	-1.09	-0.63	-0.38	-0.25	-0.43	-0.26	-0.52
2010-4-12	-0.01	-1.05	0.51	0.43	-0.46	0.41	0.2	0.92	0.56	0.68	0.22
2010-4-13	0.3	0.4	0.45	0.6	-0.05	0.12	0.43	0.34	0.66	-0.02	0.32
2010-4-29	0.53	0.46	0.34	0.56	0.38	0.64	0.42	0.55	0.57	0.71	0.52
2010-5-26	-1.1	-1.9	-1.47	-1.68	-1.6	-1.23	-1.59	-1.71	-1.94	-1.3	-1.55
2010-6-3	-0.18	0.18	0.64	0.02	-1.73	-1.51	-1.13	-0.12	-0.1	-0.43	-0.44
2010-6-25	-1.45	-1.36	-1.48	-0.98	-1.43	-1.86	-1.66	-1.86	-1.99	-1.63	-1.57
2010-6-26	-1.45	-1.66	-2.51	-1.72	-1.43	-1.39	-1.54	-1.35	-1.79	-1.44	-1.63
2010-7-3	-2.39	-2.43	-1.49	-1.74	-2.13	-1.37	-0.75	-1.73	-0.87	-2.33	-1.72
2010-7-14	0.46	0.95	0.8	0.84	1.09	-1.25	-2.07	-1.25	-0.95	-1.37	-0.28
2010-7-15	-0.21	0.08	-0.02	-0.76	-1.64	0.82	0.29	-0.19	0.74	-2.25	-0.31
2010-7-23	-1.56	-0.73	-1.48	-0.38	-0.94	-0.44	0.03	0.11	0.27	-0.41	-0.55
2010-8-24	-0.22	-0.82	-0.62	0.09	-0.79	-0.6	-0.32	-0.24	-0.63	-1.05	-0.52
2010-8-31	0.13	0.62	-0.07	0.27	-0.27	0.18	0.63	0.17	0.54	0.43	0.26
2010-9-8	-2.48	-2.24	-2.46	-2.53	-2.5	-2.34	-1.89	-2.02	-2.25	-2.51	-2.32
2010-9-16	1.17	0.78	-0.2	0.75	1.68	0.89	0.54	1.13	1.18	1	0.89
2010-9-20	-0.05	0.32	0.44	0.58	0.02	0.21	0.22	0.85	0.32	0.95	0.39
2010-9-26	0.12	0.1	0.08	0.08	-0.2	0.64	0.96	0.57	0.82	0.51	0.37
2010-10-9	0.14	0.02	-0.18	0.22	0.16	0.46	0.54	-0.42	0.43	0.18	0.16
2010-10-12	-1.05	-1.01	-1.09	-1.24	-0.64	-0.77	-0.93	-0.83	-0.96	-0.85	-0.94
2010-10-15	0.42	0.3	0.98	0.91	0.59	1.14	0.8	0.47	0.64	0.6	0.69
平均值											-0.54

數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下（具體數(shù)據(jù)見附表）：

1.zui大正偏差：+1.68℃；zui大負偏差：-2.53℃

2.zui小正偏差：+0.02℃；zui小負偏差：-0.01℃

3.平均偏差：-0.54℃

結(jié)論：以上每支熱電偶均滿足電工委員會（IEC）及美國ASTM標準要求，符合Ⅰ級。

2.2.2還原性氣氛用新型溫度傳感器

滲碳爐或多用爐新型溫度傳感器

作者開發(fā)的在CO等還原性氣氛中應(yīng)用的復(fù)合管型滲碳爐熱電偶，已在熱處理行業(yè)應(yīng)用十多年，在930~950℃范圍內(nèi)，強還原性氣氛下使用壽命超過一年。Ipsen工業(yè)爐長期以來一直被多用爐中熱電偶使用后變彎失效而困擾，采用本熱電偶后，*解決上述問題。為此，Ipsen外方總感謝中國教授為其國產(chǎn)化的貢獻。

硅鋼退火爐及熱軋線上用新型溫度傳感器

作者正在開發(fā)一種新型溫度傳感器，用于含H₂等還原性氣氛，可有效阻止或消除H₂的影響，從而可極大的延長熱電偶使用壽命。

2.2.3新型溫度、壓力雙參數(shù)多點動態(tài)測量系統(tǒng)

遼河油田等超稠油的采收率極低，2004年由加拿大引進SAGD技術(shù)及超稠油井下溫度、壓力雙參數(shù)多點動態(tài)測量系統(tǒng)，每套180多萬。作者在維修該系統(tǒng)的同時，開發(fā)出新型井下溫度、壓力雙參數(shù)多點動態(tài)測量系統(tǒng)（2P/6T）。替代進口并成倍提高遼河油田的采收率。

圖5：新型溫度、壓力雙參數(shù)多點動態(tài)測量系統(tǒng)

3、用新型廉金屬溫度傳感器替代貴金屬鉑銠熱電偶的對策與應(yīng)用

我國工業(yè)爐窯的溫度測量，尤其是在1300℃以上的高溫領(lǐng)域，多采用鉑銠系熱電偶。每年測溫消耗的鉑大約500Kg。我國是鉑資源貧乏的國家，幾乎全靠進口，而且價格不斷飆升。為此，作者開展以廉金屬溫度傳感器替代貴金屬熱電偶的研究與應(yīng)用。

3.1用廉金屬溫度傳感器替代貴金屬鉑銠熱電偶

新型廉金屬溫度傳感器以WRe熱電偶或N型熱電偶等作敏感元件，綜合考慮溫度、氣氛（氧化、還原、真空）以及腐蝕等多種因素影響，采取不同材料和結(jié)構(gòu)的保護管制作成的溫度傳感器。

3.1.1 N型裝配式溫度傳感器

N型裝配式溫度傳感器（見下圖6）主要用于工業(yè)爐窯中溫度測量。采用陶瓷保護管，內(nèi)裝鎳鉻硅—鎳硅鎂（N分度）熱電偶，具體技術(shù)指標如下：

使用溫度：0~1250℃ 準確度：±0.75%t或±0.4%t

該溫度傳感器用于Ipsen及匯森益發(fā)工業(yè)爐及余姚冶金設(shè)備廠等，2009年僅代鉑一項就為用戶節(jié)約測溫成本60多萬（詳見下表7）

圖5：N型裝配式溫度傳感器

表7：用N型裝配式溫度傳感器替代鉑銠熱電偶的部分業(yè)績

單位	爐型	溫度℃	環(huán)境	節(jié)能節(jié)材、降低成本
Ipsen工業(yè)爐	多用爐	950	CO	35萬
匯森益發(fā)工業(yè)爐	多用爐	950	CO	6.5萬
余姚清華冶金設(shè)備廠	熔銅爐	1280	銅及銅合金	2萬
鑫磊還原鐵粉公司	還原爐	1250	CO	20萬
總計	63.5萬

3.1.2 N型鎧裝熱電偶

用進口N型鎧纜，制成鎧裝熱電偶，主要用于真空爐溫度測量，技術(shù)指標如下：

使用溫度：0~1250℃ 準確度：±0.75%t或±0.4%t

主要用于北京七星華創(chuàng)、江蘇豐東熱處理、沈陽黎明公司等真空、氧化、還原或兩者交替氣氛的連續(xù)測溫。由于N型熱電偶的優(yōu)點及美國AMS 2750D規(guī)范的推薦，可以預(yù)言zui多要10年N型熱電偶將取代現(xiàn)有的K型熱電偶，成為廉金屬熱電偶的主導(dǎo)產(chǎn)品。

3.2用新型鎢錸溫度傳感器部分替代貴金屬熱電偶

3.2.1、新型WRe溫度傳感器

1）鎢錸熱電偶的主要特點

①熱電極熔點高（3300℃）、強度大、極易氧化；

②熱電動勢大、靈敏度高、熱電動勢率為S型熱電偶的兩倍，B型3倍；

③價格便宜，僅為S型熱電偶的1/20，B型熱電偶的1/25；

2）鎢錸熱電偶的分類

WRe熱電偶的種類很多，美國ASTM將其標準等級分為三類：

① 標準化系列：有C型（WRe5-WRe26），其標準化的地位與B、S、R、N、K、J、T、E型成熟熱電偶相同。

② 標準熱電偶系列：有D型（WRe3-WRe25）

③ 非標體系：有G型（W-WRe26）

國內(nèi)消耗型熱電偶以D型為主，工業(yè)用鎢錸熱電偶則以C型為主。

3）鎢錸熱電偶的使用氣氛

①上*美國ASTM推薦的使用氣氛：

真空、惰性氣氛及干燥的氫氣

②本公司產(chǎn)品特點：

除ASTM推薦的氣氛外，還能用于氧化及CO等還原性氣氛或兩者交替氣氛。

4）國產(chǎn)鎢錸熱電偶熱電性能檢測與分析

作者同國家*及冶金自動化院合作，采用熔絲法以鈀凝固點為檢定點溫度，對國內(nèi)僅有的四家鎢錸熱電偶絲生產(chǎn)廠提供的樣品進行分度結(jié)果表明，國產(chǎn)WRe絲均已滿足±1%t的國家標準，并與接軌，有的還達到±0.5%t，首尾不均勻性偏差小于2.5℃。（表8）

表8：國產(chǎn)WRe熱電偶熱電性能檢測與分析

		冶金自動化研究院			中國計量科學(xué)研究院
樣品編號	測試點溫度	被檢偶熱電勢值	被檢偶溫度值	溫度偏差值	被檢偶熱電勢值	被檢偶溫度值	溫度偏差值	兩次測量結(jié)果差值
A1145、 A1146	1554.8℃	27.454 mv	1547.4 ℃	-7.4 ℃	27.485 mv	1547.7℃	-7.1 ℃	-0.3 ℃
A1245、 A1246	1554.8℃	27.448 mv	1547.0 ℃	-7.8 ℃	27.469 mv	1548.4℃	-6.4 ℃	-1.4 ℃
B1145、 B2146	1554.8℃	27.714 mv	1564.6 ℃	9.8 ℃	27.697 mv	1563.5℃	8.7 ℃	1.1 ℃
B1245、 B2246	1554.8℃	27.693 mv	1563.2 ℃	8.4 ℃	27.707 mv	1564.1℃	9.3 ℃	-0.9 ℃
C1145、 C1146	1554.8℃	27.678 mv	1562.2 ℃	7.4 ℃	27.669 mv	1561.6℃	6.8 ℃	0.6 ℃
C1245、 C1246	1554.8℃	27.674 mv	1561.9 ℃	7.1 ℃	27.627 mv	1558.8℃	4.0 ℃	3.1 ℃
D1145、 D1146	1554.8℃	27.761 mv	1567.7 ℃	12.9 ℃	27.753 mv	1567.2℃	12.4 ℃	0.5 ℃
D1245、 D1246	1554.8℃	27.761 mv	1567.7 ℃	12.9 ℃	27.780 mv	1568.9℃	14.1 ℃	-1.2 ℃
E1145、 E1146	1554.8℃	27.724 mv	1565.3 ℃	10.5 ℃	27.732 mv	1565.8℃	11.0 ℃	-0.5 ℃
E1245、 E1246	1554.8℃	27.690 mv	1563.0 ℃	8.2 ℃	27.678 mv	1562.2℃	7.4 ℃	0.8 ℃
兩次測量結(jié)果的差值平均值								0.18℃
兩次測量結(jié)果的差值標準差								1.35

注：A、B、C、D分別為國內(nèi)4家鎢錸熱電偶絲生產(chǎn)廠的代號

5）特種WRe溫度傳感器與國外產(chǎn)品性能對比

表9：本公司特種WRe溫度傳感器與國外廠家對比

	美國Ari公司	美國Nanmac	本公司
熱電偶分度號	C 、D	C 、D	C 、D
保護管	金屬陶瓷MCPT	Mo、Ta管；Al₂O₃；ZrO₂；Mo+W涂層	Cr、Mo基金屬陶瓷；陶瓷；Ta、W、SiC、SiC—Si₃N₄、石墨、Al₂O₃
絕緣材料	Al₂O₃	Al₂O₃	MgO、BN、Al₂O₃
使用溫度范圍℃	0~1600	0~2000	0~2000
精度	±1%t	±1%t	±1%t
應(yīng)用范圍	燃氣化爐、硫化爐	真空、抗?jié)B碳	真空10^-1~10^-5Pa、氧化、還原、或兩者交替、強腐蝕、抗熱沖擊
價格	貴	貴	進口傳感器的1/2~1/5
鉬管規(guī)格		φ3~φ10	φ3~φ16

6）特種WRe溫度傳感器

①鎢錸熱電偶防氧化技術(shù)有：抽空或充惰性氣體及實體化技術(shù)。

②特種WRe溫度傳感器防氧化技術(shù)的創(chuàng)新與突破

特種WRe溫度傳感器在實體化技術(shù)的基礎(chǔ)上，在上*添加功能材料，進一步提高鎢錸熱電偶的抗氧化性，現(xiàn)已獲得國家發(fā)明。2008年經(jīng)遼寧省*組織專家鑒定認為：“在設(shè)計理念上具有原創(chuàng)性，在氧化及還原氣氛中應(yīng)用居水平”。本公司產(chǎn)品與國外廠家對比見表7，2009年榮獲中國儀器儀表學(xué)會科技二等獎，并作為科技成果收錄在2008~2009年國家科技發(fā)展報告中。現(xiàn)有用戶260多家，累計銷量超萬支。

3.2.2、特種WRe溫度傳感器的應(yīng)用

1）氧化性氣氛

在溫度為1200℃~1800℃范圍內(nèi)的氧化性氣氛中，采用高純Al₂O₃復(fù)合管型特種WRe溫度傳感器（圖6），用于陶瓷及耐火材料行業(yè)，進行大量現(xiàn)場試驗研究。其中在錦州燒制鉻剛玉磚的梭式窯中（溫度為1450℃），原采用B型熱電偶，自2008年起用我公司特種WRe溫度傳感器取代，使用壽命接近B型（見表10），但價格為B型的1/10，用戶很滿意。目前，國外在氧化性氣氛的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用鎢錸熱電偶尚未見報道。

圖7：雙層剛玉保護管的特種WRe溫度傳感器

表10：特種WRe溫度傳感器使用壽命

單位	爐型	溫度	環(huán)境	壽命（月）
氮化制品有限公司	氮化合成爐	1400℃	N₂	3
新鋼釩股份公司	TBY爐	1600℃	N₂+CO	2
云星工業(yè)陶瓷有限公司	高溫?zé)蔂t	1800℃	氧化	0.5~1.5
宏元稀有材料有限公司	真空爐	1500℃	CO+ N₂	7
玻璃研究院	連續(xù)開放式平推爐	1800℃	H₂	27
鐵合金工商實業(yè)公司	梭式窯	1450℃	氧化	12

2）還原性氣氛

VN合金生產(chǎn)溫度為1600℃，CO、N₂等還原性氣氛并有強堿熔體腐蝕的工業(yè)環(huán)境，采用“三高”石墨管復(fù)合結(jié)構(gòu)的特種WRe溫度傳感器（見圖8），其壽命為普通WRe熱電偶5倍，該種傳感器已應(yīng)用近10年。

圖8：石墨管復(fù)合結(jié)構(gòu)的特種WRe溫度傳感器

真空

普通的熱電偶，由于沒有嚴格密封措施，達不到真空系統(tǒng)要求，而且當(dāng)保護管破損時，將使真空爐內(nèi)外相通，致使發(fā)熱體等氧化，損失慘重。

作者研發(fā)的新型溫度傳感器，采用單層或雙層實體化結(jié)構(gòu)（見圖9），并嚴格密封?？蓾M足超高真空度10^-5Pa的要求，其單價僅為鉑銠熱電偶的1/6，進口真空爐用熱電偶的1/13?，F(xiàn)已成功在北京、天津及沈陽等用于替代進口真空爐用熱電偶，并獲得國外同行認可。

圖9：真空用特種WRe溫度傳感器

4、結(jié)語

為了適應(yīng)過程自動化發(fā)展，針對我國航空、航天工業(yè)的需求，尤其為滿足美國AMS 2750D要求以及高溫、真空、還原氣氛及高溫金屬熔體等強腐蝕環(huán)境急需的溫度傳感器。作者鍥而不舍致力于新型溫度傳感器的開發(fā)與應(yīng)用。不僅可以替代進口，有的還可出口美國、加拿大等發(fā)達國家，又用廉金屬溫度傳感器替代貴金屬鉑銠熱電偶，不僅節(jié)能節(jié)材，又能節(jié)匯，具有良好的經(jīng)濟效益及顯著的社會效益。

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高溫測量技術(shù)與新型溫度傳感器

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