防辐射服评测热电偶保护管
图1. 硅污染与晶界滑移
作者：William Nash和Eric Yeager – 克利夫兰电气实验室；美国俄亥俄州特温斯堡
作为一家热电偶设计和制造商，我们最经常被问到的问题是：我的热电偶应当使用多久？
遗憾的是，这个问题很难回答，需要考虑太多的因素，而且其中有些并不明显。使问题复杂化的根本原因常常是看不到的或者意料之外的因素，但它们可能对传感器的使用寿命产生很大的影响。
可以说，每一种应用都有自己的复杂性，而操作和环境因素对它们的影响在热电偶选型时并不一定总能得到考虑或理解。为了说明那些通常看不到的或者未知的因素的影响，以下给出几个我们与客户合作完成的应用实例。
应用实例1
我们的第一个例子来自一家大公司的紧急求助电话。这家拥有多个工厂的公司突然遇到了箱式退火产品出现严重偏差的问题。公司产品的下游用户反馈说，它们的材料过热了超过100°F，造成了极大的经济损失，而且损失程度不断扩大。
我们立刻作出了响应，用了两天时间仔细检查退火炉、传感器和操作步骤。我们向不同的操作人员都提出了这样一个问题：“你多长时间换一次因康镍保护管？”他们的回答都是：“我们的预防性维护制度要求每12个月换一次。”
这些保护管看上去似乎正常，但仔细检查后发现，它们表现出了不同寻常的老化迹象。我们拆下了一根正在使用的金属保护管，将其从距离热端约3英寸处切断。观察切断的保护管内部，发现就像是一条被斑块阻塞的动脉——内壁上有一层很厚的黑色积炭。这表明，这根保护管已经几年没有更换了。
通过查看维修记录，发现3年多以前有过一次保护管更换操作错误。事实上，新的热电偶被装到了被污染的保护管内，造成传感器性能下降，使测量精度产生了超过100°F的偏差。在这个例子中，原本应当接近一年的热电偶有效寿命缩短到了一个星期。
应用实例2
另一个看不到的因素影响热电偶测量精度和使用寿命的例子来自一家大型钢铁企业。我们的客户突然(至少看上去如此)遇到了昂贵的R型铂电偶很快失效的问题。我们立刻进行了调查分析，发现内部导线在偶结附近有熔化现象。这是硅污染导致生成共晶物的明确迹象，证明了铂在很低的温度下被熔化(图1)。
在检查时，我们没有找到炉内存在氧化硅(SiO2)的证据。我们的客户坚信，他们的操作方式在长达10年的时间内“没有改变”。通过在合作的气氛中进行坦诚的交流，我们发现他们实际上正在处理一种含有氧化硅的产品。其结果是，钢的成分出现了较大变化，硅含量明显增加。根据这一发现，我们采用了一种能够更好地抵御氧化硅渗入的设计，有效地保护了热电偶，使其延长了使用寿命。
应用实例3
最后一个例子来自一家知名的钢铁锻造企业，它的例行维护制度是每6个月更换一次S型热电偶丝。但是，这家客户的S型偶丝没能达到预期的6个月寿命，而且热电偶输出结果比实际值低了80°F之多，导致公司的加热炉处于过热状态。
通过联合进行调查分析，我们把目光集中到了保护套管组件上，它包括了氧化铝内管和外管。客户执行的维修制度是“只在它们开裂或断裂时”才更换。
在这个例子中，客户是将全新的偶丝装到用过的保护套管组件(图2)中。这样，一旦进行加热，立刻就开始了污染过程。根据旧组件污染程度的不同，新偶丝的测量精度和使用寿命以不同的速度受到不利影响。很少更换的保护管直接污染了新偶丝(图3)。结果，以节省保护管为原则的更换制度反而造成了相当大的损失，因为缩短了热电偶寿命，降低了测量精度，影响了产品质量。
图2. 用过的内、外保护管会污染装入其中的新偶丝
图3. 用过的保护管对新偶丝造成的污染
经验教训
上述这些例子的共同点是，很小的、看上去无关紧要的和/或无害的改变对热电偶性能造成了相当大的影响。在预估热电偶寿命时，用户需要事先考虑很多因素，包括：
? 探头直径是多少？
? 将要使用什么类型的热电偶(K型、N型、S型、B型等)？
? 使用温度是多少？
? 加热炉运行温度是否恒定？
? 加热炉是否频繁升温和降温？
直径较小的传感器响应速度更快，但消耗速度也更快；温度恒定有助于延长使用寿命；反复升温降温的热电偶寿命较短；温度越高热电偶性能下降得越快。这些只是必须考虑的操作因素的一部分。
操作/环境方面的考虑
另外，环境条件也影响着热电偶的选择。铂类热电偶(也称为贵金属热电偶)，比如R型、S型或B型，如果保护得当，能够长期保持极高的测量精度。不过，贵金属热电偶的特点是电动势(EMF)输出值很低，而且最轻微的污染就可能影响传感器的毫伏值输出，从而改变测量读数。为了延长使用寿命和连续保持测量精度，必须避免碳或硅等成分造成铂中毒——为此可能需要采用专门的保护管、密封胶和/或涂层来确保这些成分不会进入热电偶和污染偶丝。甚至加热炉所在的地理位置(海拔高度)也对热电偶输出有很小但可以测量到的影响。
廉金属偶丝，比如J型或K型，本身也有对操作/环境的具体要求。举例来说，J型热电偶的正极铁在高温下容易氧化，而K型偶丝如果装在尺寸较小的保护管内，则在温度高于1,400°F和氧浓度较低时会出现一种称为“绿腐”的现象，即偶丝变绿变脆(图4)。绿腐问题的典型解决方法是，简单地选择内径足够大的保护管，以使K型偶丝能够“呼吸”。使用氧化镁绝缘廉金属热电偶(即MIMS – 矿物绝缘金属护套)能够可靠消除这些问题，因为偶丝被严密封装在金属护套内部。
图4. K型偶丝的绿腐现象
我们都想知道自己的热电偶应当使用多久，但在这个问题上注重细节至关重要。作为一家热电偶设计和制造商，我们需要非常仔细和全面地考虑所有操作参数，包括许多看上去无关紧要或无害的细枝末节。
客户都要求提高测量精度，延长使用寿命，改善产品质量，严格执行技术规范。为了达到这些业界普遍的要求并保持领先优势，唯一的办法是全面深入地了解操作参数。
那么，在已经考虑了所有方面后，又该怎样回答“我的热电偶应当使用多久”这个问题呢？答案是取决于应用。在理想条件下，这个时间也许没有限制；但在现实条件下，尤其是在热处理应用中，肯定不会是这种情况。所以，在选择热电偶组件时，我们还需要问自己一些问题，包括但不限于：
? 热电偶将要用在哪里？
? 加热炉是什么类型？
? 炉内气氛是什么？是燃气加热吗？有氢气吗？
? 工艺的热循环条件如何？
? 温度保持恒定，还是升温、保温和快速冷却？
? 被处理的是什么材料？
? 发热元件是什么类型？
? 预计温度怎样分布？
? 温度精度/加热炉等级是多少？
? 要求达到的使用寿命是多少？这个要求对具体应用来说是否现实？
? 探头需要移动还是固定？
? 热电偶引线附近是否有电源线？
? 接收测量信号的控制器或计算机距离有多远？
我们知道，客户提出的问题和需要研究的参数都非常多，但在针对具体应用确定最合适的热电偶组件时，相关因素必须得到考虑。尽管我们面临着越来越大的压力，但为了满足尽可能提高工艺效率的要求，我们在选择热电偶时一定要分析这些因素。
上述条件确定了最佳实践和使用寿命。不过，热电偶究竟能够使用多久，最主要的还是取决于客户长期以来的使用方式。另外，每次对工艺作出改变后都应当重新考虑使用寿命问题，而无论这种改变有多小。
结论
最好的作法是，利用热电偶供应商的知识和经验来帮助您作出选择。其次，还可以借鉴ASTM(美国材料测试协会)温度测量热电偶使用手册MNL 12中提到的那些出色的热电偶应用参考资料。
欲了解更多资料，请联系：Eric Yeager，克利夫兰电气实验室质量主管，1776 Enterprise Parkway, Twinsburg, Ohio 44087；电话：330-425-4747；传真：330-425-7209；电子邮箱：eric@cel-tcg.com。Eric Yeager是ASTM E20.11分委员会主席和SAE AMEC委员会成员。
备注：本文刊登于《Industrial Heating》中文版杂志2020年4月刊。
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