易耗型熱電偶在航空熱加工中的應用

摘要:易耗型熱電偶具有響應速度快、反應靈敏的優點，并且操作簡便，利于溫度測試過程中的監測，因此在航空領域的熱工藝設備溫度測量中，得以廣泛使用。在使用易耗型熱電偶時，需考慮其使用溫度和次數控制、應用環境等因素。本文從測量端的制作、捆綁及保護等方面，討論了易耗型熱電偶應用中所產生的問題并給出了解決方案，以期確保測量精度、延長熱電偶使用壽命。
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，絕緣材料包括陶瓷纖維、玻璃纖維、復塑料等。
 
　　易耗型熱電偶的優點:(1)因其測量端裸露于被測環境中，因此響應速度快、靈敏度高;(2)相比耐久型熱電偶，容易實現測量空間的正確定位，并且解決某些不具備測溫孔的設備測量熱電偶的引出問題;(3)多支熱電偶使用相同的誤差值，便于監測出溫度瞬間過沖，以及對AMS2750［1］中A、C型儀表的高、低點進行快速判斷。隨著民機轉包生產以及NADCAP審核的開展，加之易耗型熱電偶的以上優點，使其廣泛應用于航空、航天領域的熱工藝設備溫度測量中。本文介紹了易耗型熱電偶的校準、使用溫度、應用環境等應用技術，并針對應用問題給出了解決方案。
1易耗型熱電偶的應用技術
　　目前中國尚無易耗型熱電偶的國家標準，因此使用易耗型熱電偶時，其校準方法、使用壽命等都是按照AMS2750或相關客戶標準的要求執行。
1. 1校準
　　易耗型熱電偶校準時，需要對一卷的首尾各取一支樣品偶進行校準，每個校準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。為降低該校準方法的風險，AMS2750對此做出了兩個限定:(1)各種類型易耗型熱電偶的每卷最長長度，例如廉金屬測試偶每卷長度不超過1525m;(2)在每個校準溫度，首尾兩端的誤差值不能超過1.1℃。
1. 2使用溫度
　　易耗型廉金屬熱電偶的使用溫度上限，由偶絲直徑決定，見表1。［2］表1對于鎧裝熱電偶不適用。
 
1.4應用環境
　　J型熱電偶的誤差線性好，因此常用于復材膠接工藝所用的熱壓罐的溫度控制和測量，但在應用中，常誤用于復材生產所使用的冷庫的溫度測控。J型的正極材料為鐵，在低溫、潮濕的環境下，J型正極的鐵易發生銹蝕而改變其校準精度，因此不能用于冷庫的測溫，這在AMS2750F版中有所體現，在其表1注11規定，對于＜0℃的溫度只能使用E型或T型熱電偶。此外，J型也不適于用在環境潮濕的表面處理槽的溫度測量。
　　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生優先氧化而改變其校準精度，因此AMS2750對K、E型熱電偶有兩條規定:用于260℃以上禁止重校，以及插入深度應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。
2易耗型熱電偶應用問題解決
　　雖然易耗型熱電偶具有靈敏度高、操作方便等優點，但在使用中如果測量端制作不恰當、捆綁不合理，會對測量精度造成不利影響，也會影響熱電偶的使用壽命。
2. 1測量端的制作
　　易耗型熱電偶的測量端，可以采用扭接、焊接、扭接焊等方式制作，需采用適當的方式制作測量端，否則會給測量帶來附加電勢影響測量精度，甚至導致測量失敗。此外，需針對特殊情況采用特定方式，例如熱壓罐，因其測量需在較大的壓力下進行，而扭接的測量端在承受7kg以上的壓力后顯示出明顯的溫度波動，因此用于測量熱壓罐的易耗型熱電偶必須將測量端焊接。
　　采用焊接方式制作易耗型熱電偶測量端時，應避免虛焊的情況。如果測量端有虛焊，那么在高溫下可能正負極接觸不好甚至脫落，造成較大的溫度偏差、斷偶等情況，因此應使用熱電偶專用焊機焊接易耗型熱電偶的測量端。
　　扭接方式制作的測量端(見圖2)，必須考慮扭接的圈數和長短。圈數過少，在測量中可能出現斷偶或溫度波動的問題，這是因為偶絲在受熱情況下發生熱膨脹變形(溫度越高變形越大)，這種熱膨脹變形使得圈數過少的測量端正負極接觸不良，一旦導致溫度不正常的顯示就需重新測量，而影響測試效率。另外，圈數過多過長將會給該熱電偶測溫的熱電回路造成第二測量點，從而影響測量精度。
 
2.2捆綁
　　如前所述，易耗型熱電偶的使用壽命/次數與偶絲的粗細無關，而與絕緣材料有關，因為易耗型熱電偶在不恰當的溫度下使用或使用過數次之后，絕緣材料本身已成為一個導體，因此在易耗型熱電偶的使用中，捆綁時應注意避免絕緣材料受損，否則將影響其使用壽命和測量精度。
　　工作溫度高于300℃的熱處理設備，使用絕緣材料為玻璃纖維、陶瓷纖維的易耗型熱電偶進行溫度均勻性測量，相比復塑料，玻璃纖維、陶瓷纖維的耐磨、耐壓性差。對于未開測溫孔的設備，需將熱電偶通過爐門引出時，不能將測量熱電偶捆成筒狀(特別是需要多支測量熱電偶的大型設備)而應捆成排狀，以避免測量熱電偶之間的相互擠壓。
　　另外，將測量端直接綁在測溫架上或用鋁絲、鐵絲直接捆綁，都可能導致絕緣層不必要的磨損而減少使用次數、影響使用壽命，并可能影響測量精度。為了避免絕緣材料在高溫下與測溫架之間的磨損，可使用恰當的附件，例如耐高溫石棉條將測量端后部纏繞數圈然后再用金屬絲捆在測溫架上，對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使用壽命。
2.3干擾問題
　　因真空爐的使用溫度一般較高，因此常制造為大功率加熱。在某次測量一臺真空爐時，易耗型測量熱電偶顯示出瞬間近5℃的異常波動，排查后發現是爐子尾部電極產生的強磁場對熱電偶產生干擾，導致溫度出現明顯的波動(測量熱電偶從爐子的測溫孔穿出后經過爐子尾部電極的下方接至放于該爐子后面的測試儀上)。在更換為帶一層金屬屏蔽線的易耗型熱電偶之后，仍然有波動但明顯減小，而換成鎧裝熱電偶不存在波動。隨后，將測試儀移至爐子側面，使易耗型熱電偶不經過電極下方，異常波動消失溫度正常顯示。
2.4保護
　　對鈦合金熱成形壓機的模具進行溫度測量，將5支測量熱電偶分別布置在上、下模具之間的四個角及中心以測量模具的溫度均勻性，測量時出現了溫度越來越低的狀況，原因是測量過程中上下模具之間的間隙縮小，導致偶絲被壓扁。改進保護方法:將四塊金屬墊片放在模具的四個角，使上下模具的間隙足以穿過熱電偶。
　　使用易耗型熱電偶測量化學處理槽時，無論是何種槽液，都必須使用保護管將易耗型熱電偶插入其中，以防止偶絲接觸槽液，這種方法在測量槽液具有強腐蝕性的脫氧槽、化銑槽時，尤為重要。
3結束語
　　易耗型熱電偶具有靈敏度高、操作方便等優點，但如果使用不當，其優點將大打折扣。通過研究表明:采用適當的方式制作測量端，使用中采取合理的捆綁方法并保護，既可確保溫度測量精度，又能延長使用壽命從而降低測試成本。