易耗型热电偶在航空热加工中的应用

发布时间:2021-07-20     浏览次数:
摘要:易耗型热电偶具有响应速度快、反应灵敏的优点,并且操作简便,利于温度测试过程中的监测,因此在航空领域的热工艺设备温度测量中,得以广泛使用。在使用易耗型热电偶时,需考虑其使用温度和次数控制、应用环境等因素。本文从测量端的制作、捆绑及保护等方面,讨论了易耗型热电偶应用中所产生的问题并给出了解决方案,以期确保测量准确度、延长热电偶使用寿命。
0引言
  易耗型热电偶是用纤维或塑料外壳包裹偶丝制成的热电偶(见图1),以一圈或一卷的形式供应,绝缘材料包括陶瓷纤维、玻璃纤维、复塑料等。
易耗型热电偶图示 
  易耗型热电偶的优点:(1)因其测量端裸露于被测环境中,因此响应速度快、灵敏度高;(2)相比耐久型热电偶,容易实现测量空间的准确定位,并且解决某些不具备测温孔的设备测量热电偶的引出问题;(3)多支热电偶使用相同的误差值,便于监测出温度瞬间过冲,以及对AMS2750[1]中A、C型仪表的高、低点进行快速判断。随着民机转包生产以及NADCAP审核的开展,加之易耗型热电偶的以上优点,使其广泛应用于航空、航天领域的热工艺设备温度测量中。本文介绍了易耗型热电偶的校准、使用温度、应用环境等应用技术,并针对应用问题给出了解决方案。
1易耗型热电偶的应用技术
  目前中国尚无易耗型热电偶的国家标准,因此使用易耗型热电偶时,其校准方法、使用寿命等都是按照AMS2750或相关客户标准的要求执行。
1. 1校准
  易耗型热电偶校准时,需要对一卷的首尾各取一支样品偶进行校准,每个校准温度取两支样品偶误差的平均值作为该卷的误差值。
  这种校准方法需要整卷偶丝均匀,否则,首尾两端的误差值不能有效代表整卷热电偶的误差。为降低该校准方法的风险,AMS2750对此做出了两个限定:(1)各种类型易耗型热电偶的每卷最长长度,例如廉金属测试偶每卷长度不超过1525m;(2)在每个校准温度,首尾两端的误差值不能超过1.1℃。
1. 2使用温度
  易耗型廉金属热电偶的使用温度上限,由偶丝直径决定,见表1。[2]表1对于铠装热电偶不适用。
 
1.4应用环境
  J型热电偶的误差线性好,因此常用于复材胶接工艺所用的热压罐的温度控制和测量,但在应用中,常误用于复材生产所使用的冷库的温度测控。J型的正极材料为铁,在低温、潮湿的环境下,J型正极的铁易发生锈蚀而改变其校准精度,因此不能用于冷库的测温,这在AMS2750F版中有所体现,在其表1注11规定,对于<0℃的温度只能使用E型或T型热电偶。此外,J型也不适于用在环境潮湿的表面处理槽的温度测量。
  而K、E型热电偶的正极材料为镍铬,其铬成分在较高温度下发生优先氧化而改变其校准精度,因此AMS2750对K、E型热电偶有两条规定:用于260℃以上禁止重校,以及插入深度应大于等于以前使用的插入深度,并在NADCAP热处理审核中作为重要审核项。
2易耗型热电偶应用问题解决
  虽然易耗型热电偶具有灵敏度高、操作方便等优点,但在使用中如果测量端制作不恰当、捆绑不合理,会对测量准确度造成不利影响,也会影响热电偶的使用寿命。
2. 1测量端的制作
  易耗型热电偶的测量端,可以采用扭接、焊接、扭接焊等方式制作,需采用适当的方式制作测量端,否则会给测量带来附加电势影响测量准确度,甚至导致测量失败。此外,需针对特殊情况采用特定方式,例如热压罐,因其测量需在较大的压力下进行,而扭接的测量端在承受7kg以上的压力后显示出明显的温度波动,因此用于测量热压罐的易耗型热电偶必须将测量端焊接。
  采用焊接方式制作易耗型热电偶测量端时,应避免虚焊的情况。如果测量端有虚焊,那么在高温下可能正负极接触不好甚至脱落,造成较大的温度偏差、断偶等情况,因此应使用热电偶专用焊机焊接易耗型热电偶的测量端。
  扭接方式制作的测量端(见图2),必须考虑扭接的圈数和长短。圈数过少,在测量中可能出现断偶或温度波动的问题,这是因为偶丝在受热情况下发生热膨胀变形(温度越高变形越大),这种热膨胀变形使得圈数过少的测量端正负极接触不良,一旦导致温度不正常的显示就需重新测量,而影响测试效率。另外,圈数过多过长将会给该热电偶测温的热电回路造成第二测量点,从而影响测量准确度。
 
2.2捆绑
  如前所述,易耗型热电偶的使用寿命/次数与偶丝的粗细无关,而与绝缘材料有关,因为易耗型热电偶在不恰当的温度下使用或使用过数次之后,绝缘材料本身已成为一个导体,因此在易耗型热电偶的使用中,捆绑时应注意避免绝缘材料受损,否则将影响其使用寿命和测量准确度。
  工作温度高于300℃的热处理设备,使用绝缘材料为玻璃纤维、陶瓷纤维的易耗型热电偶进行温度均匀性测量,相比复塑料,玻璃纤维、陶瓷纤维的耐磨、耐压性差。对于未开测温孔的设备,需将热电偶通过炉门引出时,不能将测量热电偶捆成筒状(特别是需要多支测量热电偶的大型设备)而应捆成排状,以避免测量热电偶之间的相互挤压。
  另外,将测量端直接绑在测温架上或用铝丝、铁丝直接捆绑,都可能导致绝缘层不必要的磨损而减少使用次数、影响使用寿命,并可能影响测量准确度。为了避免绝缘材料在高温下与测温架之间的磨损,可使用恰当的附件,例如耐高温石棉条将测量端后部缠绕数圈然后再用金属丝捆在测温架上,对于允许多次使用的易耗型热电偶,采用这种方式可大大延长使用寿命。
2.3干扰问题
  因真空炉的使用温度一般较高,因此常制造为大功率加热。在某次测量一台真空炉时,易耗型测量热电偶显示出瞬间近5℃的异常波动,排查后发现是炉子尾部电极产生的强磁场对热电偶产生干扰,导致温度出现明显的波动(测量热电偶从炉子的测温孔穿出后经过炉子尾部电极的下方接至放于该炉子后面的测试仪上)。在更换为带一层金属屏蔽线的易耗型热电偶之后,仍然有波动但明显减小,而换成铠装热电偶不存在波动。随后,将测试仪移至炉子侧面,使易耗型热电偶不经过电极下方,异常波动消失温度正常显示。
2.4保护
  对钛合金热成形压机的模具进行温度测量,将5支测量热电偶分别布置在上、下模具之间的四个角及中心以测量模具的温度均匀性,测量时出现了温度越来越低的状况,原因是测量过程中上下模具之间的间隙缩小,导致偶丝被压扁。改进保护方法:将四块金属垫片放在模具的四个角,使上下模具的间隙足以穿过热电偶。
  使用易耗型热电偶测量化学处理槽时,无论是何种槽液,都必须使用保护管将易耗型热电偶插入其中,以防止偶丝接触槽液,这种方法在测量槽液具有强腐蚀性的脱氧槽、化铣槽时,尤为重要。
3结束语
  易耗型热电偶具有灵敏度高、操作方便等优点,但如果使用不当,其优点将大打折扣。通过研究表明:采用适当的方式制作测量端,使用中采取合理的捆绑方法并保护,既可确保温度测量准确度,又能延长使用寿命从而降低测试成本。
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