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1、第五单元 炉用仪表,热处理炉用仪表是热处理生产中重要的检测和控制设备，热处理工艺参数的准确测量是正确执行热处理工艺、保证热处理质量的重要前提，特别是温度、碳势的准确测定，对热处理工艺质量起到重要的保证作用，因此，炉用仪表是热处理设备的重要组成部分。主要炉用仪表性能及应用特点见表5-1。,模块一 温度测量仪表,能力知识点1 测量误差的有关术语及表示方法,能力知识点1 测量误差的有关术语及表示方法,1.绝对误差 仪表的指示值与被测量的真实值之间的代数差称为绝对误差或指示误差，简称为误差。用X表示。即： X=X-A 式中 X仪表指示值； A被测量的真值(校验仪表时，通常用比被校验仪表精度高的标准仪器
2、的示值作为真值)。,2.基本误差和基本误差限,基本误差是指仪表的绝对误差与仪表测量范围(即量程)的百分比。基本误差的最大允许值称为基本误差限。用0表示。即：,3.精确度与精确度等级 热处理设备第五单元 炉用仪表精确度是指仪表测量的精确程度，它是测量仪表最基本的也是最重要的技术性能指标。精确度用仪表的基本误差限去掉“%”号并取绝对值来表示，精确度用字母k来代表。若基本误差限为1.5%的仪表，它的精确度即为k=1.5。 已知仪表的精确度，就可以推算出仪表的允许最大绝对误差，即：,因此，仪表的精确度越高，k越小，测量的误差越小。 仪表按精确度高低分成的等级称为精确度等级。国家标准规定的等级见表5-2
3、。,能力知识点2 感温元件热电偶,一、热电偶及其测温原理,利用热电现象制成的温度计称为热电偶高温计。热电偶高温计是工业上也是热处理生产上应用最广的测温元件。 1.热电现象和热电势 把A、B两种材料的组合体称为热电偶，单根叫做热电极。热电偶被加热的一端称为热端，另一端一般要求恒定在某一较低的温度，称为冷端。热电偶回路电流称为热电流，引起热电流的电势称为热电势。热电势包括温差电势和接触电势。,(1)温差电势 在同一均质导体上，因两端温度有差异，高温端的电子能量大于低温端的电子能量，因此高温端的电子就流向低温端，导致高温端由于失去电子而带有正电荷，低温端由于获得电子而带有负电荷，结果在高低温端之间产
4、生一个静电场，此时，在导体两端所形成的电动势即为温差电势。若导体A的两端温度分别为T和T0，其温差电势用符号eA(T，T0)表示。,(2)接触电势 接触电势是指两种不同的导体互相接触时，由于在同一温度下，两种不同的导体自由电子密度不同，因而在接点处产生的电动势eAB(T)。,综上所述，在由A、B两导体组成的热电偶回路中，当两个接点的温度分别为热端T和冷端T0时，回路将产生两个温差电势和两个接触电势，如图5-1所示，则回路总电势应为各温差电势和接触电势的代数和，按图5-1所示回路方向可知回路总电势为：,由此可见，热电偶回路总电势EAB(T,T0)是两接点处温度的函数,即：,冷端温度不同，热电势与
5、热端温度的对应关系也不同，为了便于使用，国际上统一采用冷端温度为0，并把各种标准热电偶在不同热端温度时用标准仪器测得的热电势值列成彼此对应的表格，这种表格称为热电偶分度表，见附录。,2.中间温度定律 如图5-2所示，在热电偶回路上，假设热接点T和冷接点T0之间某处具有某一中间温度Tn，列回路电势代数和方程式：,此式表明，热电偶在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶热接点与中间温度点Tn间的热电势EAB(T,Tn)及Tn点与冷接点间的热电势EAB(Tn,T0)之和,此为中间温度定律。 中间温度定律为热电偶分度表奠定了理论基础。根据该定律，只要有参考温度为0时的热电势与热端温度
6、的对应值，则参考温度不等于0的热电势都可按上式计算求得。,在热电偶实际测温回路中，热电偶是通过连接导线与显示仪表相接的，而连接导线的材料往往与热电极材料不同，可以证明，连接导线接入热电偶回路后，只要连接导线两端温度相同，它对回路总电势没有影响。这就是中间导体定律，如图5-2所示，因,3.中间导体定律,所以,生产上应用的补偿线通常具有三个特点： 1)在0100(或0150)温度范围内具有与所配接的热电偶非常接近的热电性能； 2)与贵金属热电偶相配的补偿导线用廉金属制成，而廉金属热电偶的补偿导线通常就用本身材料； 3)补偿导线通常做成多股软线，并用外包绝缘层颜色的差异作正负极之区别，以便于安装接线
7、。,4.冷端温度的补偿 由于补偿导线与测温仪表连接处温度(冷端车间温度T0)不是参考温度0，在使用热电偶分度表时，需补充冷端的热电势E(T0，0)，即需要进行冷端温度补偿。补偿方法如下：,(1)计算法 参见例5-1内容。 (2)调仪表机械零位法 在仪表接入热电偶之前，将直读式动圈仪表指针调到冷端车间温度T0处、产生补偿热电势E(T0，0)，当接入热电偶后，仪表指针就反应了被测温度T。此法不适用冷端温度急剧变化，或测量精度要求高的情况。 (3)温度补偿器法 温度补偿器是一个直流毫伏信号发生器，其直流信号能随车间冷端温度而变化，把它串联在热电偶测量线路中，能自动补偿冷端温度变化而引起的热电势变化。
8、,二、标准化热电偶,1.铂铑10-铂热电偶 铂铑10-铂热电偶的分度表见附录，分度号为S。 此种热电偶用铂铑丝和铂丝制成，铂铑丝含铂90%，含铑10%，为正极，铂丝为负极。长期使用的最高温度是1300，短期使用可到1600，是热处理生产中采用的高温热电偶。,2.镍铬-镍硅热电偶 这种热电偶用镍铬合金和镍硅合金分别作为正极和负极，主要是使用于测量中温的热电偶。它在氧化性和中性气氛中性能较稳定，长期使用的最高温度是900，短期使用温度可达1200。热电势比铂铑10-铂热电偶高45倍，而且热电势与温度的关系近似直线。此外，相对铂系金属属于廉价金属，所以是热处理生产中应用最多的一种热电偶。此种热电偶不
9、宜在500以上的还原性气氛以及含有硫的气氛中工作，因铬易挥发而分度值改变，在真空中也只能短期使用。,3.镍铬-康铜热电偶 这种热电偶用镍铬合金丝作为正极，负极是用称为康铜的铜镍合金制作，由于康铜在高温下容易氧化变质，镍铬-康铜热电偶的长期使用最高温度仅是600，短期使用温度只能到800，但测量低温可到-200。,此种热电偶的热电势非常大，在常用的热电偶中居首位，故灵敏度高。由于用镍量少，价格相当便宜，在热处理生产上，600以下的低温测量可用这种热电偶，是一种很有实用价值的低温热电偶。,三、热电偶的结构及类型,1.普通型热电偶的组成 在实际测温中，仅有两个热电极的热电偶是很少见的。普通型热电偶通
10、常都是由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒四部分组成。图5-3所示为一种普通型热电偶的结构图。,常用热电偶保护管的材料、性能及用途见表5-4。 接线盒是连接热电偶冷端和连接导线的部件，一般用铝合金铸造而成。在接线盒内，热电偶冷端预先分别用螺钉将导线紧固在两个标注有正负极标记的接线柱上。,常用热电偶保护管的材料、性能及用途见表5-4。 接线盒是连接热电偶冷端和连接导线的部件，一般用铝合金铸造而成。在接线盒内，热电偶冷端预先分别用螺钉将导线紧固在两个标注有正负极标记的接线柱上。,2.铠装热电偶 随着生产和科学技术的发展，新型和特型热电偶不断出现。铠装热电偶是20世纪50年代初发展起来的一种热电偶，由
11、于它具有能弯曲、耐高压、响应速度快和坚固耐用等特殊优点，已普遍应用于各工业部门，产品已标准化和系列化。,1)动态响应速度快，以直径为1.6mm的热电偶为例，露头型的时间常数为0.06s,碰底型为0.6s，不碰底型也只有1.2s。直径越小，动态响应速度越快。,2)测量端热容量小。由于铠装热电偶外径可做得很细，因此热容量小，在测量较小物体的温度时，精确度较高。 3)具有可挠性，由于管径很小且经过完全退火处理，具有一定的可挠性，符合复杂结构上的安装要求，如安装到狭小的、需要弯曲的测温部位。 4)结构坚实，耐压、不怕振动和冲击，适应在恶劣工作条件下使用。,四、热电偶的选择、安装和使用,国产标准化WRP
12、型热电偶的保护管材料一般都是高温瓷管，WRN型用不锈钢管，WRE型用普通钢管(非工作部分)和不锈钢管(工作部分)。,1.热电偶的选择 选择热电偶包括确定热电偶的种类、保护管的材料、结构形式和有效长度等内容。 热电偶的种类主要根据要求的测温范围来确定。一般来讲，10001300的高温炉测温选用WRP型热电偶；6001000的中温炉测温选用WRN型；600以下的低温炉用WRE型，否则，既不经济又会带来较大的相对误差。,2.热电偶的安装与使用 有了合适的热电偶，如果安装使用不当，往往会引起测温不准，严重时造成事故、影响生产，因此在安装使用热电偶时，应注意下列几点： 1)由于热电偶热端温度高，环境温度
13、低，通过热电极与保护管的热传导引起热端温度降低而带来的测量误差称为传热误差。实践证明，随着热电偶插入深度的增加，传热误差逐渐减小。因此，为减小传热误差，热电偶插入介质的深度要足够长。通常其最小插入深度不应小于热电偶保护管外径的810倍。,2)热电偶应避免安装在炉门旁或离加热物体过近处，以防止碰撞损坏。避免热电偶与火焰直接接触或离发热物体过近，否则测量温度偏高。接线盒与炉壁之间应留有一段距离(约200mm)，以避免冷端温度超过规定值。 3)高温下工作的热电偶，应尽可能垂直安装，水平安装时保护管易弯曲(图5-5a)。倘若必须水平搁置时，插入较深的热电偶要用耐火粘土或耐热合金支架支撑(图5-5b)，
14、此时，接线盒出线孔应朝下，可防止因密封不良，灰尘落入而引起短路。,5)热电偶热端的位置应尽可能避开测温介质中强电场和强磁场，以免受到干扰。,6)连接导线和补偿导线应尽量避免高温、潮湿、腐蚀性、爆炸性气体和灰尘的作用，禁止敷设在炉壁、烟道及热管道上。 7)为保护连接导线和补偿导线不受机械损伤，同时削弱外界磁场的干扰，导线应单独穿入钢管内予以保护和屏蔽，且不得和强电力线并排敷设。为避免地电位干扰的引入，钢管不应有两个或两个以上的接地点。管径可按导线截面积不超过管子截面积2/3的原则来确定，管壁厚不应小于1mm。,8)导线的电阻值是有要求的，安装时应按电阻值要求接线。 9)长期使用后，由于各种原因热
15、电偶会变质老化，影响测温精度。为此，应定期对热电偶进行校验。,五、热电偶的故障与维修,1.常见故障及排除措施 表5-5所列为热电偶常见故障在仪表指示上所表现的常见现象、可能原因及排除措施(显示仪表本身正常时)。,2.热电偶的变质及其处理 (1)热电偶的变质和鉴别 热电偶的变质损坏程度可按其工作端部表面的颜色、发脆程度和断口特征予以鉴别，如表5-6所示。,(2)变质热电偶的处理 变质的热电偶可视变质程度不同进行处理。变质严重者，应予报废。变质不严重者，经过适当处理仍可使用，这一点对贵金属热电偶尤具意义,其方法是： 1)廉金属热电偶有轻度或中度损坏时，可将变质部分剪除，重新焊接，亦可将热端与冷端对调，把冷端焊接起来做热端用。变质较严重者，可将变质部分剪掉，重新焊接。凡焊接过的热电偶，应经检定合格后，方可使用。,2)贵金属热电偶有轻度或中度变质时，同样可采用廉金属热电偶的处理办法，不同点是贵金属热电偶焊接后，在检定之前要进行清洗和退火，以除去热电极表面的油污、有机物和部分氧化物，改善热电偶热电性能，延长使用寿命。,(3)热电偶的焊接 热电偶热端的焊接方法很多，对廉金属热电偶，常采用一般的电弧焊或气焊法，对于贵金属热电偶，可采用
