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(yōu)點，并且操作簡便，利于溫度測試過程中的監(jiān)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(shù)控制、應用環(huán)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(chǎn)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(yōu)點:(1)因其測量端裸露于被測環(huán)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(xiàn)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(jiān)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(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，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(huán)境等應用技術(shù)，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(shù)
　　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(zhí)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?jīng)Q定，見表1。［2］表1對于鎧裝熱電偶不適用。
 
1.4應用環(huán)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(chǎn)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(huán)境下，J型正極的鐵易發(fā)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(xiàn)，在其表1注11規(guī)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(huán)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(fā)生優(yōu)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(guī)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(yōu)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?shù)姆绞街谱鳒y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(shù)和長短。圈數(shù)過少，在測量中可能出現(xiàn)斷偶或溫度波動的問題，這是因為偶絲在受熱情況下發(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(shù)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(shù)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?shù)臏囟认率褂没蚴褂眠^數(shù)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(shù)、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?shù)母郊缒透邷厥迼l將測量端后部纏繞數(shù)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(fā)現(xiàn)是爐子尾部電極產(chǎn)生的強磁場對熱電偶產(chǎn)生干擾，導致溫度出現(xiàn)明顯的波動(測量熱電偶從爐子的測溫孔穿出后經(jīng)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(cè)面，使易耗型熱電偶不經(jīng)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(xiàn)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(jié)束語
　　易耗型熱電偶具有靈敏度高、操作方便等優(yōu)點，但如果使用不當，其優(yōu)點將大打折扣。通過研究表明:采用適當?shù)姆绞街谱鳒y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。