第十章 热处理测温装置

第十章热处理测温装置温度是研制材料、制订热处理工艺的一个重要参数，本章将介绍测量温度的一些常用工具及其测温原理。§10.1热处理测温装置分类温度仪表有多种分类方法，主要有以下几种：1.按测量方法分类接触式仪表：感温元件（如热电偶）直接置于温度场中测量温度。优点：使用方便，测量准确。缺点：测温上限受感应元件限制，不适用于1600℃以上的温度测量。种类：膨胀式温度计、压力表式温度计、电阻温度计、热电式高温计。非接触式仪表：感应元件不与被测温度场接触，利用被测物体的某项性能（如热辐射）与温度的关系工作的。优点：测温上限不受限制缺点：使用不方便，测温准确性较差。种类：光学高温计、全辐射高温计（它是一种测量高温辐射源的仪器。将来自辐射源的辐射，经凹面镜会聚到一块涂黑的箔片上，此箔片贴在温差电偶上。根据测出的温差电动势，即可知道箔片的温度。于是从箔片上的温度反映，得知辐射源的温度。）、红外比色温度计等。2.按具备的功能分类：指示记录调节仪表：具有测温显示、记录温度随时间变化、对炉温进行自动控制功能。如动圈指示调节仪（无记录）、电子电位差计、光电高温计、比色温度计等。优点：精度高、便于组成温度自动调节系统。缺点：结构较复杂，使用维护的技术要求较高。指示仪表：只有测温显示功能。如水银温度计、XCZ动圈仪表。优点：结构简单、使用维护方便。缺点：不能记录和对温度调节。3.按显示方法分类：模拟显示式仪表：模拟信号→通过指针偏转角度或移动距离等方式显示。数字显示式仪表：模拟信号→转换成数字信号，直接用数字显示。4．按测温范围分类：温度计：测量温度低于500～600℃，如玻璃液体（水银、酒精）温度计、电阻温度计、压力温度计等。高温计：测量温度在500～600℃以上，如热电高温计、光电高温计等。§10.2热电偶热电偶是接触式测温仪表中最常用的感温元件。它将温度转换成电势（热电势），通过测量热电势，并根据热电势和温度之间的关系实现对温度的测量。特点：热电偶具有结构简单、性能稳定、使用方便、测量精度高、测温范围广等优点。但热电偶在低温段温度－热电势的线性度较差，特别是在0℃以下，通常不用热电偶测温。一、热电偶测温原理相互接触的A、B金属，由于两种金属的电子逸出其表面所需的最小能量）和自由电子密度（单位体积内的自由电子数目）不同，金属中作不规则热运动的自由电子，从一个方向越过接触面的数目比从另一方向过来的多，导致相互接触的两金属分别带正、负电，并产生电位差，这个电位差就是接触电位差。设A、B金属的逸出电位分别为UA、UB，且UAUB；A、B金属的自由电子密度分别为nA、nB，且nAnB，则：接触电位差UAB＝UB－UA＋(kT/e)ln(nA/nB)k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷的绝对值。假设A、B两端均相互接触并形成回路，两接触面的温度分别为T、T0（对应摄氏温度t、t0），则：闭合回路总电势：ET＝UAB（T）－UAB（T0）＝UB－UA＋(kT/e)ln(nA/nB)－UB＋UA－(kT0/e)ln(nA/nB)＝(kT/e)ln(nA/nB)－(kT0/e)ln(nA/nB)＝f（T）－f（T0）或Et＝f（t）－f（t0）可见温差电势仅与两接触面的温差，两金属的自由电子密度有关，而与接触面大小及体积无关（不考虑汤姆逊效应对温差电动势的影响）。若保持某一接触端的温度t0不变，则热电势仅是温度的函数，即Et＝f（t）＋C。因此，通过测量热电势即可知道温度场的温度→热电偶测温原理。通过以上分析可见：（1）将两种化学成分不同的金属导线的任意一端焊接在一起，就构成一支热电偶，这两根导线称为热电极。（2）焊接的一端称为热端（工作端），另一端称为冷端（或自由端）。（3）使用时热端接入温度场中，冷端接二次仪表，根据热电偶工作原理，热电偶产生的热电势只与热端温度成一定关系，而与热电极的直径、长度和焊接面积无关。因此，测出Et后即可根据相应热电偶的分度表（或分度曲线）求出热端温度t。所谓热电偶的分度表（或分度曲线）是指将热电偶冷端温度恒定为零度，测定其热电势与热端温度的对应关系而制成的表格或曲线。工业常用热电偶名称型号分度号极性成分测温范围误差＋－长期短期铂铑－铂WRLBLB－3铂铑铂90％铂＋10％铑100％铂0～13000～1600±0.5%镍铬－镍硅WREUEU－2镍铬镍硅10％铬＋90％镍97％镍＋3％硅0～9000～1100±0.75%镍铬－考铜WREAEA－2镍铬镍铜90％镍＋10％铬44％镍＋56％铜0～6000～800±1%二、常用热电偶结构1．热电极直径：贵金属2.35～0.65mm，如铂铑－铂热电偶普通金属0.5～3.2mm，如NiCr－NiSi热电偶长度：取决于热端插入温度场的深度，一般为250～3000mm。2．绝缘管（或称绝缘子）作用：防止热电极短路材料：通常为高铝陶瓷截面形状：圆形－单孔、四孔椭圆形－双孔3．保护管作用：（1）防止热电偶腐蚀；（2）避免火焰或气流的直接冲击；（3）提高热电偶强度。材料：表面镀铬的铜及铜合金管400℃以下使用无缝钢管600℃以下使用，镀铬、镀镍后可在900～1000℃下使用不锈钢管900～1000℃下使用石英管1300℃以下使用瓷管1400℃以下使用4．接线盒供热电偶和补偿导线连接用出线孔和盖子均用垫片和垫圈密封，以防污物落入影响接线的可靠性。热电极与补偿导线连接处有正、负极性标注。除上述热电偶外，工业中还有一种常用的热电偶——凯装热电偶。它是将热电偶丝与电熔氧化镁（绝缘体）熔铸在一起，外表再套以不锈钢管，然后一起进行控制而成。这种热点偶具有能任意弯曲、耐高压、反应时间快、牢固耐用等许多优点。三、热电偶冷端温度的影响及补正1．冷端温度的影响热电偶分度表是在其冷端温度t0＝0℃时测定的。但实际使用时，热电偶冷端温度不可能恒为零。假设：热电偶热端温度为t，热电偶冷端温度为t0，则Et（t，t0）＝f（t）－f（t0）若实际冷端温度为t0′，则Et（t，t0′）＝f（t）－f（t0′）两式相减：Et（t，t0）－Et（t，t0′）＝f（t0′）－f（t0）＝Et（t0′，t0）即：当冷端温度不为零度时，将产生一个额外的热电势，该热电势相当于冷端为t0，热端为t0′时热电偶产生的热电势。因此，使用时必须进行补正，具体方法有以下几种。2．热电偶冷端温度的补正方法（1）计算电势补正法Et（t，t0）＝Et（t，t0′）＋Et（t0′，t0）查分度表即可求得温度仪表测得，如直流电位差计水银温度计测温后查分度表获得（2）调节仪表机械零点补正法当热电偶和二次仪表成套使用时，对于按温度刻度、具有机械零点，调节器的二次仪表如动圈式仪表，若热电偶工作时冷端温度能够保持恒定，测量精度要求不是太高时，就可以把仪表的指针从刻度起点t0预先调节到已知的冷端温度t0′（即室内温度）上。这种补偿方法是把补正值直接加到仪表上，可认为仪表指示值就是热电偶的热端温度值。应注意，调整动圈式仪表的机械零点位置时，应在热电偶输入端不短路的情况下进行。（3）热电偶与二次仪表间连接冷端补偿器（补偿电桥）冷端补偿器能自动补偿由于热电偶冷端温度变化而产生的测量误差。凡是内部没有冷端温度补偿电路的二次仪表（如动圈式仪表或直流电位计）均可与之配合使用。带有冷端温度补偿器的测量线路示意图如下图所示。R1、R2、R3、R5均为锰铜绕制的电阻温度系数很小的电阻。R4为铜丝绕制的电阻温度系数较大的电阻。当热电偶冷端温度即电桥温度处于仪表起始刻度零度时，电桥处于平衡状态，a、b两点电位相等，此时补偿电桥对仪表的读数无影响。当热电偶冷端温度即电桥温度变化时，电桥失去平衡，a、b两点间出现电位差△E，由于电路（桥路）参数设计成在一定温度范围内变化时，△E总是与热电偶冷端温度变化应该补正的电势E（t0′，t0）大小和方向相同，因此，二次仪表测得的电势便是热电偶温差电势E（t，t0′）与E（t0′，t0）之和，从而起到自动补偿的作用。对于自动平衡式仪表（如电子电位差计），仪表内一般都有冷端温度补偿电路，只要冷端温度不超过补偿范围，使用时不必再考虑热电偶冷端温度的补正问题，可直接将热电偶接入仪表。3．热电偶补偿导线热电偶与二次仪表间必须使用补偿导线连接。所谓补偿导线，指在0～100℃温度范围内与其所配接的热电偶具有相同温度－热电势关系的导线。因此，利用补偿导线连接热电偶就相当于延长了热电极，但它的价格比相应的热电极便宜得多，使测量热电势或安装二次仪表更方便，热电偶冷端延长到温度较稳定的地方，便于补正。补偿导线是一对成分不同的金属导线，通常是双芯线，有单股和多股之分，其绝缘内层颜色不同，以区别正负极。选用补偿导线时应注意以下几点：（1）选用的补偿导线必须与所使用的热电偶匹配，否则补偿导线、热电偶的热电势－温度关系不同。常用两种热电偶的补偿导线见下表。热电偶名称补偿导线正极负极材料绝缘层颜色材料绝缘层颜色铂铑－铂铜红镍铜绿镍铬－镍硅铜红康铜棕（2）补偿导线和热电偶联接端的温度不能超过100℃。超过100℃，补偿导线和热电偶间的热电势－温度关系不一致。（3）补偿导线的正负极与热电偶的正负极必须正确联接。否则，反而会带来更大的测温误差。在无法区别正负极的情况下，随机联接，测量电势；然后换接，测量电势；电势大的接法为正确接法。（4）通过补偿导线延长形成了新冷端，如果没有冷端补偿器，则应采取恒温措施。4．热电偶使用注意事项（1）选择合适的测温点因为所测温度仅是热电偶热端附近小范围的温度。选择依据：温度较均匀，凡能代表工件温度的地方，安装在炉门旁或靠近热源太近的地方均是不合适的。（2）安装位置尽可能避开强磁场和电场如电极盐浴炉中的热电偶不应靠近电极，以免对测温仪表引入附加干扰信号。（3）热电偶插入深度一般不小于热电偶保护管外径的8～10倍。插入太浅，由于保护管散热，测量温度偏低。（4）热电偶的接线盒不应靠到炉壁上，以免冷端温度过高。前面讲过，补偿导线接点温度≤100℃。（5）热电偶尽可能保持垂直使用，以防止保护管在高温下因自重变形。如必须水平安装时，插入深度不应大于100mm，露出部分应采用架子托平，并在使用一段时间后，将其旋转180度。（6）热电偶保护管与炉壁之间的间隙应用耐火泥或石棉绳堵塞，以免空气对流影响测温准确性。补偿导线与接线盒出孔之间的空隙也应用石棉绳塞紧，并使其朝下方以免污物落入。（7）在低温测量中，为减小热电偶的热惯性，常采用保护管开口或无保护管的热电偶。5．热电偶的焊接方法热电偶工作端损坏后，可将损坏部分剪除，然后将热偶丝焊成新的工作端继续使用，不过在使用前必须对热电偶进行校定，有关热电偶校定将在后面介绍。焊接方法：（1）电弧焊接法在两根石墨电极上加上220V或110V交流（或直流）电压，调节两石墨电极间的距离，使其产生强烈的电弧，将待焊的热偶丝置于电弧中4～5秒，待热接点熔成球状后，迅速取出。注意：为保持热接点洁净，可在热偶丝微加热后蘸些硼砂，而后继续加热，焊定后用热水洗净残渣即可。在焊接铂铑类热电偶时，为避免渗碳作用，热接点不得与石墨电极接触。（2）乙炔－氧焰焊接法把热端绞好再撒上硼砂，置于乙炔焰的中性火焰区进行加热，并使其不断辗转，待焊点熔成球状时迅速取出，在热水中洗净。（3）盐水焊接法将热电极与盐水接触一下即可焊成。焊好后用热水清洗。适用于铂铑类热电偶焊接。§10.3热电阻热电阻是基于导体或半导体的电阻值（电阻率）随温度的变化而变化而成为温度计的感温元件的。使用热电阻作感温元件的测温计通常称为电阻温度计。常用的热电阻有铂丝、铜丝，故又有铂电阻温度计和铜电阻温度计之分。此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。一、电阻温度计特点（1）适用于测量低温，工业常用电阻温度计测温范围：－200～500℃（2）在低温下（500℃），电阻温度计的输出信号比热电偶大得多，故灵敏度高。二、热电阻材料应具备条件（1）有较大的电阻温度系数电阻温度系数愈大，热电阻的灵敏度愈高，测量愈精确。（2）有较大的电阻率电阻率大，在总电阻相同情况下，热电阻体积小，温度相应速度快。（