易耗型熱電偶在航空熱加工中的應(yīng)用

摘要:易耗型熱電偶具有響應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)，并且操作簡(jiǎn)便，利于溫度測(cè)試過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，因此在航空領(lǐng)域的熱工藝設(shè)備溫度測(cè)量中，得以廣泛使用。在使用易耗型熱電偶時(shí)，需考慮其使用溫度和次數(shù)控制、應(yīng)用環(huán)境等因素。本文從測(cè)量端的制作、捆綁及保護(hù)等方面，討論了易耗型熱電偶應(yīng)用中所產(chǎn)生的問(wèn)題并給出了解決方案，以期確保測(cè)量精度、延長(zhǎng)熱電偶使用壽命。
0引言
　　易耗型熱電偶是用纖維或塑料外殼包裹偶絲制成的熱電偶(見圖1)，以一圈或一卷的形式供應(yīng)，絕緣材料包括陶瓷纖維、玻璃纖維、復(fù)塑料等。
 
　　易耗型熱電偶的優(yōu)點(diǎn):(1)因其測(cè)量端裸露于被測(cè)環(huán)境中，因此響應(yīng)速度快、靈敏度高;(2)相比耐久型熱電偶，容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量空間的正確定位，并且解決某些不具備測(cè)溫孔的設(shè)備測(cè)量熱電偶的引出問(wèn)題;(3)多支熱電偶使用相同的誤差值，便于監(jiān)測(cè)出溫度瞬間過(guò)沖，以及對(duì)AMS2750［1］中A、C型儀表的高、低點(diǎn)進(jìn)行快速判斷。隨著民機(jī)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)以及NADCAP審核的開展，加之易耗型熱電偶的以上優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的熱工藝設(shè)備溫度測(cè)量中。本文介紹了易耗型熱電偶的校準(zhǔn)、使用溫度、應(yīng)用環(huán)境等應(yīng)用技術(shù)，并針對(duì)應(yīng)用問(wèn)題給出了解決方案。
1易耗型熱電偶的應(yīng)用技術(shù)
　　目前中國(guó)尚無(wú)易耗型熱電偶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此使用易耗型熱電偶時(shí)，其校準(zhǔn)方法、使用壽命等都是按照AMS2750或相關(guān)客戶標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行。
1. 1校準(zhǔn)
　　易耗型熱電偶校準(zhǔn)時(shí)，需要對(duì)一卷的首尾各取一支樣品偶進(jìn)行校準(zhǔn)，每個(gè)校準(zhǔn)溫度取兩支樣品偶誤差的平均值作為該卷的誤差值。
　　這種校準(zhǔn)方法需要整卷偶絲均勻，否則，首尾兩端的誤差值不能有效代表整卷熱電偶的誤差。為降低該校準(zhǔn)方法的風(fēng)險(xiǎn)，AMS2750對(duì)此做出了兩個(gè)限定:(1)各種類型易耗型熱電偶的每卷最長(zhǎng)長(zhǎng)度，例如廉金屬測(cè)試偶每卷長(zhǎng)度不超過(guò)1525m;(2)在每個(gè)校準(zhǔn)溫度，首尾兩端的誤差值不能超過(guò)1.1℃。
1. 2使用溫度
　　易耗型廉金屬熱電偶的使用溫度上限，由偶絲直徑?jīng)Q定，見表1。［2］表1對(duì)于鎧裝熱電偶不適用。
 
1.4應(yīng)用環(huán)境
　　J型熱電偶的誤差線性好，因此常用于復(fù)材膠接工藝所用的熱壓罐的溫度控制和測(cè)量，但在應(yīng)用中，常誤用于復(fù)材生產(chǎn)所使用的冷庫(kù)的溫度測(cè)控。J型的正極材料為鐵，在低溫、潮濕的環(huán)境下，J型正極的鐵易發(fā)生銹蝕而改變其校準(zhǔn)精度，因此不能用于冷庫(kù)的測(cè)溫，這在AMS2750F版中有所體現(xiàn)，在其表1注11規(guī)定，對(duì)于＜0℃的溫度只能使用E型或T型熱電偶。此外，J型也不適于用在環(huán)境潮濕的表面處理槽的溫度測(cè)量。
　　而K、E型熱電偶的正極材料為鎳鉻，其鉻成分在較高溫度下發(fā)生優(yōu)先氧化而改變其校準(zhǔn)精度，因此AMS2750對(duì)K、E型熱電偶有兩條規(guī)定:用于260℃以上禁止重校，以及插入深度應(yīng)大于等于以前使用的插入深度，并在NADCAP熱處理審核中作為重要審核項(xiàng)。
2易耗型熱電偶應(yīng)用問(wèn)題解決
　　雖然易耗型熱電偶具有靈敏度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但在使用中如果測(cè)量端制作不恰當(dāng)、捆綁不合理，會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成不利影響，也會(huì)影響熱電偶的使用壽命。
2. 1測(cè)量端的制作
　　易耗型熱電偶的測(cè)量端，可以采用扭接、焊接、扭接焊等方式制作，需采用適當(dāng)?shù)姆绞街谱鳒y(cè)量端，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)附加電勢(shì)影響測(cè)量精度，甚至導(dǎo)致測(cè)量失敗。此外，需針對(duì)特殊情況采用特定方式，例如熱壓罐，因其測(cè)量需在較大的壓力下進(jìn)行，而扭接的測(cè)量端在承受7kg以上的壓力后顯示出明顯的溫度波動(dòng)，因此用于測(cè)量熱壓罐的易耗型熱電偶必須將測(cè)量端焊接。
　　采用焊接方式制作易耗型熱電偶測(cè)量端時(shí)，應(yīng)避免虛焊的情況。如果測(cè)量端有虛焊，那么在高溫下可能正負(fù)極接觸不好甚至脫落，造成較大的溫度偏差、斷偶等情況，因此應(yīng)使用熱電偶專用焊機(jī)焊接易耗型熱電偶的測(cè)量端。
　　扭接方式制作的測(cè)量端(見圖2)，必須考慮扭接的圈數(shù)和長(zhǎng)短。圈數(shù)過(guò)少，在測(cè)量中可能出現(xiàn)斷偶或溫度波動(dòng)的問(wèn)題，這是因?yàn)榕冀z在受熱情況下發(fā)生熱膨脹變形(溫度越高變形越大)，這種熱膨脹變形使得圈數(shù)過(guò)少的測(cè)量端正負(fù)極接觸不良，一旦導(dǎo)致溫度不正常的顯示就需重新測(cè)量，而影響測(cè)試效率。另外，圈數(shù)過(guò)多過(guò)長(zhǎng)將會(huì)給該熱電偶測(cè)溫的熱電回路造成第二測(cè)量點(diǎn)，從而影響測(cè)量精度。
 
2.2捆綁
　　如前所述，易耗型熱電偶的使用壽命/次數(shù)與偶絲的粗細(xì)無(wú)關(guān)，而與絕緣材料有關(guān)，因?yàn)橐缀男蜔犭娕荚诓磺‘?dāng)?shù)臏囟认率褂没蚴褂眠^(guò)數(shù)次之后，絕緣材料本身已成為一個(gè)導(dǎo)體，因此在易耗型熱電偶的使用中，捆綁時(shí)應(yīng)注意避免絕緣材料受損，否則將影響其使用壽命和測(cè)量精度。
　　工作溫度高于300℃的熱處理設(shè)備，使用絕緣材料為玻璃纖維、陶瓷纖維的易耗型熱電偶進(jìn)行溫度均勻性測(cè)量，相比復(fù)塑料，玻璃纖維、陶瓷纖維的耐磨、耐壓性差。對(duì)于未開測(cè)溫孔的設(shè)備，需將熱電偶通過(guò)爐門引出時(shí)，不能將測(cè)量熱電偶捆成筒狀(特別是需要多支測(cè)量熱電偶的大型設(shè)備)而應(yīng)捆成排狀，以避免測(cè)量熱電偶之間的相互擠壓。
　　另外，將測(cè)量端直接綁在測(cè)溫架上或用鋁絲、鐵絲直接捆綁，都可能導(dǎo)致絕緣層不必要的磨損而減少使用次數(shù)、影響使用壽命，并可能影響測(cè)量精度。為了避免絕緣材料在高溫下與測(cè)溫架之間的磨損，可使用恰當(dāng)?shù)母郊?，例如耐高溫石棉條將測(cè)量端后部纏繞數(shù)圈然后再用金屬絲捆在測(cè)溫架上，對(duì)于允許多次使用的易耗型熱電偶，采用這種方式可大大延長(zhǎng)使用壽命。
2.3干擾問(wèn)題
　　因真空爐的使用溫度一般較高，因此常制造為大功率加熱。在某次測(cè)量一臺(tái)真空爐時(shí)，易耗型測(cè)量熱電偶顯示出瞬間近5℃的異常波動(dòng)，排查后發(fā)現(xiàn)是爐子尾部電極產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)熱電偶產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致溫度出現(xiàn)明顯的波動(dòng)(測(cè)量熱電偶從爐子的測(cè)溫孔穿出后經(jīng)過(guò)爐子尾部電極的下方接至放于該爐子后面的測(cè)試儀上)。在更換為帶一層金屬屏蔽線的易耗型熱電偶之后，仍然有波動(dòng)但明顯減小，而換成鎧裝熱電偶不存在波動(dòng)。隨后，將測(cè)試儀移至爐子側(cè)面，使易耗型熱電偶不經(jīng)過(guò)電極下方，異常波動(dòng)消失溫度正常顯示。
2.4保護(hù)
　　對(duì)鈦合金熱成形壓機(jī)的模具進(jìn)行溫度測(cè)量，將5支測(cè)量熱電偶分別布置在上、下模具之間的四個(gè)角及中心以測(cè)量模具的溫度均勻性，測(cè)量時(shí)出現(xiàn)了溫度越來(lái)越低的狀況，原因是測(cè)量過(guò)程中上下模具之間的間隙縮小，導(dǎo)致偶絲被壓扁。改進(jìn)保護(hù)方法:將四塊金屬墊片放在模具的四個(gè)角，使上下模具的間隙足以穿過(guò)熱電偶。
　　使用易耗型熱電偶測(cè)量化學(xué)處理槽時(shí)，無(wú)論是何種槽液，都必須使用保護(hù)管將易耗型熱電偶插入其中，以防止偶絲接觸槽液，這種方法在測(cè)量槽液具有強(qiáng)腐蝕性的脫氧槽、化銑槽時(shí)，尤為重要。
3結(jié)束語(yǔ)
　　易耗型熱電偶具有靈敏度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但如果使用不當(dāng)，其優(yōu)點(diǎn)將大打折扣。通過(guò)研究表明:采用適當(dāng)?shù)姆绞街谱鳒y(cè)量端，使用中采取合理的捆綁方法并保護(hù)，既可確保溫度測(cè)量精度，又能延長(zhǎng)使用壽命從而降低測(cè)試成本。