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浅谈热处理高温电炉炉温的测量
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发布时间： 11:57:42
& &在机械行业，广泛使用电阻炉对机械材料进行热处理，以增加零部件的硬度和耐磨性。这种电阻炉的炉膛通常由多组电热体构成，当通以电流时，炉温上升，加热工件直到炉温达到要求值。之后炉子处于保温状态以使母相组织生长完全，或者使碳、氮等化学元素均匀渗入工件内部。由于不同的工件所需的处理温度不同，因此热处理的加热温度应当有个较为可靠的检测以及控制方法。所以热处理炉的炉温测量是热处理炉有效运行不可缺少的。炉温测量装置也因此成为现代热处理炉不可分割的部分。
1&& 炉温及其测量系统
1.1 炉温及炉温的均匀度
1.1.1炉温和零件温度
温度是热处理的一个最主要的工艺参数，相对炉膛空间来讲，我们所测量的炉温及其变化，是测量点的温度及其变化。
热处理中要测量和控制的应该是零件的温度而不是炉温。由于通常情况下测量零件温度有一定难度和其他方面的问题，因此在大多数情况下仍用炉温来表示零件温度，尽管这两者概念不同。
1.1.2炉温均匀度和零件温度的均匀性
炉温均匀度是指在试验温度下的加热稳定状态时炉内的温度均匀程度。通常，它表示为：在规定的各个测温点上所测得的最高和最低温度分别与在控温点上所测得的温度差。它与炉子特性、炉壁温度、零件温度、炉壁与零件的黑度，零件相对炉壁的角度系数以及传热条件等因素有关。
零件在热处理时应该达到给定的工艺温度，并使各处温度均匀。零件温度均匀性，既包括同一炉零件的温度要一样，也包括每一个零件各处的温度要一样。
1.2炉温测量系统
炉温测量系统主要由感温元件和与之相匹配的测温线路和仪表构成。
热处理炉常用的感温元件有热电偶和热电阻，感温元件有时也称作一次仪表。它将温度转换成热电势，并通过二次仪表测量热电势来测定温度值。
热处理中常见的测温仪表有接触式和非接触式两大类，接触式仪表中应用最广的是热电温度计。非接触式仪表主要包括各种辐射式温度计。
2& 感温元件
常用的感温元件有热电偶、热电阻以及一些热敏、光敏元件。感温元件和对温度信号作适当处理的电路组成温度变送器。
2.1& 热电偶和补偿导线
2.1.1热电偶的种类和特性
热处理中最常用的接触式感温元件是热电偶。
热处理常用的热电偶有三种，既铂铑&铂热电偶（S）、镍铬&镍硅热电偶（K）和镍铬&铜（E）热电偶，他们的测量范围和允许偏差见表1。
表1 热电势及其允许偏差
标准代号IEC584-2
温度范围（℃）
允许偏差（℃）
温度范围（℃）
允许偏差（℃）
铂铑&铂（S）
镍铬&镍硅（K）
常用的热电偶结构通常有一个绝缘管作外套，其内装有氧化镁绝缘的热电偶丝，经拉制而成。它的直径有&41mm~&61mm等几种，结构见图1。
图1 热电偶结构
1-接线盒 2-法兰 3-保护管 4-绝缘管 5-热电偶
图2 热电偶断面结构图
（a）碰底型 （b）不碰底型 （c）弓头型 （d）帽型
1-金属套管 2-绝缘材料 3-热电极
表2 常用热电偶保护管的材料、性能及用途
使用温度（℃）
黄铜（H62）
气密性好，有一定的抗氧化性能，导热好。
运用于中性介质测量，外表面镀铬，可用于食品工业的温度测量。
碳钢20#，45#
可承受一定的压力，缺点是易受氧化，可在其表面镀镍，防止氧化。
适用于中性介质温度测量。
不锈钢1Cr18Ni9Ti
在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性，特别对磷酸和稀硝酸有很好的耐腐蚀性能。但在高温下抗还原性能较差。
广泛用于是有化工、电站以及其他工业的加热炉、退火炉等温及测量。
钼钛不锈钢0Cr18Ni2Mo2Ti
除具有序号3的性能外，还具有抗醋酸的性能。
适用于醋酸介质的温度测量。
其质轻而性能稳定，导热性能好，机械强度稍低。
一般用于温度较低和承受较小的场合。
金属陶瓷（氧化镁+钼）
在高温下抗氧化性能好，能耐钢水和渣的冲刷，在高温下机械性能好。
钢水温度测量，小化肥造气炉的温度测量。
纯刚玉（99.5%、AlzOz）
在高温下有一定的机械强度，气密性能好，有一定的抗还原性能。
适用于各种高温加热炉煤粉和重油燃烧炉以及玻璃窑和水泥窑的温度测量。
具有良好的高温绝缘性和机械强度，导热率小，在1700（℃）以上和空气、水、氢、一氧化碳、氮不起作用，它受氟侵蚀，高温下会在氟中蒸发。
适用于各种高温加热炉、退火炉以及各种耐火材料窑、水泥窑等温度测量。
在高温下具有良好的绝缘性能，它具有较高的导热系数，在空气中使用到1700（℃）仍很稳定。
广泛用于铠装热电偶的绝缘材料。
2.1.2补偿导线
为了节省昂贵的热点极金属以及避免热电偶冷端受炉体热辐射的影响，通常，在电偶和测温仪之间要用补偿导线连接，所谓补偿导线是一对化学成份不同的金属线，在0~100℃范围内与其配接的热电偶具有相同的温度&热电势关系。常用热电偶的补偿导线见表3。
选用补偿导线时应注意：
（1）要选用相对应的补偿导线与热电偶进行配接；
（2）补偿导线与热电偶连接端的温度应低于100℃；
（3）补偿导线的正极必须连接热电偶的正极，负极连接负极。
表3 常用热电偶的补偿导线
规格（mm）
温度范围（℃）
响应时间（s）
长度（mm）
2.1.3热电偶冷锻温度的补正
热电偶的分度表是在其冷锻温度为0℃时测定的。因此，只有在冷端温度为0℃时，才能根据测得的热电势大小用分度表查处正确的被测温度值。然而，实际使用时，由于环境温度的影响等原因，热电偶冷端温度不可能恒为0℃，为了避免冷端温度变化所引起的测量误差，使用时可采用以下补正方法。
（1）计算电势补正法，即在仪表测得的电势值上加上现场热电偶冷端相应温度的热电势值，再根据补正后的热电势值从分度表中查出热电偶热端的相应温度值。
（2）调节仪表零点补正法，即当热电偶与二次仪表成套使用时，对于具有机械零点调节器的按温度刻度的仪表，在测量精度要求不太高是，可将仪表指示针从刻度起点预先调节到已知的冷端温度上，从而认为，仪表的指示值就是热电偶的热端温度值。
（3）在热电偶与二次仪表间连接冷端温度补偿器，自动补偿冷端温度变化而产生的测量误差。
要注意的是，通过补偿导线而延长了的新冷端，如果没有冷端温度补偿器，则仍应采用恒温措施，以便对冷端温度进行补正。
图3 带有冷端温度补偿器的测温线路示意图
图4 热电偶时间常数（&）对动特性的影响
热电阻是利用导体或者半导体的电阻值随温度变化的特性而制成的温度传感器，常用的热电阻有铂丝和铜丝，固常有铂电阻温度和铜电阻温度计之分。
实际使用的热电阻外形，常因使用场合不同而大小不一样，但其基本结构大致相似，通常由感温元件，套管和接线盒等组成，外形酷似热电偶。铜电阻在-50~+150℃温度范围内，电阻值与温度的关系由下式表示
R（t）=R0[1+At+Bt2+Ct3]&&&& (1)
铂电阻在-200~0℃温度范围内，电阻值与温度关系由下式表示
R(l)= R0[1+At+Bt2+C(1-100t3)]& (2)
式中R0&&为0℃时热电阻的电阻值（&O）;
&&&& T&&介质温度（℃）;
&&&& B.C&&有关的分度常数。
各种热电阻的测量范围见表4
表4 铜、铂热电阻的测量范围
热电阻类别
0℃时电阻值（&O）
电阻比R100℃/R0℃
测量范围（℃）
3 &测温线路和仪表
图 5 测量线路的链接图
3.1测温线路
3.1.1测温线路的链接方式
采用热电偶作为感温元件来测温时，其测温线路由热电偶、补偿导线、基准节点、热电转换器、测量仪表和铜导线组成，根据不同情况和要求，其链接方式有六种（图5）。
4.1.2测温线路
实际测温时，应根据不同的要求选择准确、方便的测量线路，热电偶测温线路及其特点和应用见表6。
表6 热电偶测温线路及其特点和应用
几支同型号的热电偶一次按正负极相连接，热电势大，精度比单支的高，只要一支热电偶断开系统即不能工作。
用于测微弱信号或在相同条件下，可配用灵敏度较低的显示仪表。
几支同型号的热电偶正极和负极分别连在一起，比串联线路的热电势小，其相对误差仅为单支电偶的1/&n。某支热电偶断路时不会中断系统工作。
常用于测量温场的平均温度。
两支同型号的热电偶反连接。
常用于测量两处的温度差。
热电阻的测量线路，精密测量时，常用电桥和电位差计。工业生产中常用不平衡电桥和自动平衡电桥。
3.2测温仪表
常见的测量温度的仪表汲取测温范围见表7所列，热处理炉中应用最多的是热电温度计。它通常是以热电偶作为感温元件（一次仪表），与相应的补偿导线和仪表（二次仪表）组合在一起的，与热电偶配用的仪表有动圈式和自动平衡电位差计式两种，前者采用偏差法测量，后者采用零位法。
表7 常见测温仪表种类及使用温度范围
温度计名称
使用温度范围（℃）
配用显示仪表
热膨胀式温度计
玻璃管液体温度计
固体膨胀式温度计
压力式温度计
水银-30~300
酒精-100~75
热电温度计
S型（热电偶类型）
K型（热电偶类型）
E型（热电偶类型）
动圈式温度指示仪或电位差计（手动、自动）
热电温度计
铂电阻温度计
铜电阻温度计
动圈式温度指示仪
辐射式温度计
光学高温计
光电高温计
全辐射高温计
比色高温计
红外温度计
数字式温度计
视感温元件而定
数字式仪表
通常评定测温仪表的技术指示有：精度等级、灵敏度和稳定性。
（1） 精度等级是用仪表的最大允许绝对误差与仪表测量范围比值的百分数的数字部分来表示，如某测量仪表的最大允许绝对误差为&12℃，其测温范围为0~800℃。
&12℃/800℃=0.015=15%
则该仪表的精度等级为1.5级，并用15符号表示在仪表刻度盘上。
绝对误差指使用的仪表测量某一温度时，仪表的指示值跟该温度的实际值之差。知道了仪表的精度等级，便可算出该表可能产生的最大绝对误差。
在选用仪表的测量范围时，尽量使仪表在温度的上限区工作，这样才有最合理的相对误差。
精度等级是最重要指示，精度等级高的仪表，测温准确但成本高，在选用时，应按工艺需要合理选用。
（2） 灵敏度，是反映测量仪表对被测参数变化的灵敏程度。通常用被测温度变化1℃时，仪表指针位移的大小来衡量的，位移越大说明仪表灵敏度越高，规定仪表尺上的最小分度值不能小于仪表允许误差的绝对值。
3.3& 炉温测量技术
3.3.1炉温的均匀度测量
测量炉温均匀度的目的是了解炉膛内温度的空间分布特性和时间分布特性以及温度波动的大小，从而确定有效工作区的大小和位置。
温度的空间分布特性，是指温度在整个炉膛内各处的分布情况，这个参数是描述温度的均匀性；温度的时间分布特性，是指温度在工艺过程中的变化情况，这个参数是描述温度稳定性的。
为了保证测量结果能充分反映炉内的实际情况，测点的数量和唯一必须适当，见表8。
表8 炉温均匀度测定点数量的位置
工作容积（m3）
测量点数量（个）
测量点位置
前、中、后
见图3-8（a）
见图3-8（b）
＞0.15~0.6
见图3-9（a）
见图3-9（b）
见图3-9（c）
（1）箱式炉炉温均匀度测量热电偶测量位置分布图见图6，箱式炉的炉温均匀度较差，为了改善炉内温度分布性能，除改进温控系统外，在炉内设置风扇是有效的。
（2）井式炉中热电偶分布如图7。
图6 箱式炉测试热电偶位置分布
（a）九支热电偶（b）十四支热电偶
图7 井式炉测试热电偶位置分布
（a）六支热电偶（b）九支热电偶（c）十四支热电偶
（3）真空热处理炉测定温度方法与箱式炉完全相同，它的特殊问题是选择的热电偶要适当，在高温低压条件下，合金元素易蒸发而造成污染，会使热电偶的热电特性变坏，比较理想的热电偶是镍钼&镍热电偶，它可以用在1320℃，此时的热电势为铂铑&铂热电势的5倍，可保证测量精度。
根据炉温均匀度测量记录，可以求出炉子有效工作区内温度的最大值、最小值，炉温的最大偏差值，最大和最小值与测量设定值的偏差，由这些求得的数值，按工艺及有关技术文件的要求，就可以对炉温均匀度测量结果做出结论。
3.3.2炉温均匀度的测量方法
常用的测量方法有两种：
（一）位移法，是利用一支装配式热电偶在炉内移动，测出各部位的温度，这种方法只能测量一个平面内同一条直线上的几个点，只适用于炉膛尺寸较小的炉子。
（二）多支热电偶测量法，是将多支热电偶同时放入炉内对某一空间进行测量，这种方法可以测量各种形状不同的炉子，生产上也比较实用。
测量的具体程序是，先将炉温升到要求的温度并保温1h，然后将测量热电偶按规定的位置放入炉内，关闭炉门后即开始读数，在开始测量后5min内至少测量一组数据，以后10min记录一次，直到各测试点连续出现3次以上在炉温精度范围内的读数后，测量终止，读数应持续足够的时间，以便确定温度的时间分布特性，温度稳定后，读数应至少再持续30min，为了使热电偶位置固定，通常将其捆在一定的框架上，测量仪表可采用多点长图记录仪。目前已广泛采用数显，多点打印测温仪。
若达到检验温度保温时间超过2h，个别测试点的温度仍不合格，就原定工作区而言，则该炉不合格。
（1）为了用炉温来表示金属加热温度的相对值，就要求测温元件在炉膛中的位置固定，不得随意变动。
（2）只有在炉内复杂的热交换过程中达到完全平衡时，零件的温度才与炉温相同。实际上，炉温和零件温度之间总是存在差别的，为了减少零件和炉温之间的差别，要求炉内各处温度分布均匀，要有一定的均热时间。
（3）不论热电偶有无保护管，它的温度总是滞后炉温变化的，而炉温总是以热电偶热端的温度表示的，这就容易造成一种假象：认为显示仪表温度波动很小，则炉温波动也一定很小，其实，炉温的波动可能较大，这点需要在实际操作中多加注意。
（4）为了看出温度的时间分布特性，各测量点中最高温度值与最低温度值读数应在整个测量持续时间内选择，而不是在同一测量周期内读取。第5章温度的测量(新)_百度文库
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