铠装热电偶电缆及铠装热电偶国内外标准化情况分析
2017-08-30苏杏丽
苏杏丽
(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)
铠装热电偶电缆及铠装热电偶国内外标准化情况分析
苏杏丽
(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)
铠装热电偶是常用的温度仪表之一，其研究一直受到世界各国的重视。2016年，IEC对IEC 61515：1995《铠装热电偶电缆及铠装热电偶》进行了修订。为了更好地理解该标准，分别阐述了美国、日本和我国的铠装热电偶电缆及铠装热电偶标准体系。重点介绍了国际试验与材料协会(ASTM)标准。具体分析和比较了IEC 61515:2016标准与我国现行标准《铠装热电偶电缆和铠装热电偶》(GB/T 18404-2001)、《廉金属铠装热电偶电缆》(JB/T 8205-1999)、《工业铠装热电偶技术条件》(JB/T 5582-2014)的主要技术条件指标，并简要指出了IEC 61515:2016标准存在室温绝缘电阻过低等缺憾。IEC 61515:2016标准对于推动热电偶技术进步和提升我国热电偶行业的整体质量水平具有重要意义。
温度仪表； 铠装热电偶； 金属保护套； 绝缘材料； 绝缘电阻
0 引言
铠装热电偶具有反应速度快、耐腐蚀、稳定性好等特点，是常用的温度仪表之一。铠装热电偶电缆和铠装热电偶的制造一直受到世界各国的重视。美国、英国、德国、日本和我国等均制定有各自的铠装热电偶电缆及铠装热电偶标准体系。
随着科学技术、套管材料和绝缘材料的不断发展，铠装热电偶电缆和铠装热电偶的技术要求和验证试验等也发生了相应的变化。2016年4月，IEC 61515:2016“Mineral Insulated Metal Sheated Thermocouple Cables and Thermocouples”正式修订出版。本文在系统梳理各国铠装热电偶电缆及铠装热电偶标准体系的基础上，具体分析和比较了IEC 61515:2016标准与我国现行标准《铠装热电偶电缆和铠装热电偶》(GB/T 18404-2001)、《廉金属铠装热电偶电缆》(JB/T 8205-1999)、《工业铠装热电偶技术条件》(JB/T 5582-2014)的主要技术条件指标。
1 国外标准
1.1 美国标准
关于材料标准，不得不提著名的国际试验与材料协会(ASTM International)。ASTM成立于1898年，当时是American Society for Testing and Materials的缩写，其主要任务是制定材料、产品、系统和服务等的特性和性能标准、试验方法和程序标准，促进相关技术的发展和推广；2001年，ASTM更名为ASTM International。
在ASTM中，有一个专门负责温度测量的技术委员会，代号为E20。ASTM E20具有制定标准时间早、技术要求高、标准涉及范围广和测试方法全等特点。1964年，ASTM发布了ASTM E235 《核场合用K型铠装热电偶》标准；1977年，发布了ASTM E608 《廉金属铠装热电偶》标准；1996年，发布了ASTM E585《廉金属铠装热电偶电缆》标准。ASTM对这些标准进行了多次修订。ASTM标准是当前世界上内容最完整、技术要求最高的标准之一，具有很强的实用性和指导性。
ASTM E20.04是温度测量技术委员会下设的热电偶分技术委员会，它制定的标准不仅涉及产品，还包括测试方法、产品零部件、产品使用等。ASTM E20.04制定的铠装热电偶相关标准简要分类介绍如下。
①产品技术条件类标准。ASTM E235-12《核或其他高度可靠应用的K型和N型铠装热电偶》标准[1]对K型和N型铠装热电偶的材料、制造、检验方法等作了规范，适用于高可靠性应用类型。ASTM E585-12《廉金属铠装热电偶电缆》标准[2]对廉金属铠装热电偶电缆的绝缘材料、套管、试验验证方法等作了要求。ASTM E608-13《廉金属铠装热电偶》标准[3]适用于工业通用的廉金属铠装热电偶。“ASTM E2181-11《贵金属铠装热电偶和铠装热电偶电缆》标准[4]规定了S型、R型和B型单支贵金属铠装热电偶电缆及铠装热电偶的材料、制造、尺寸、检验和试验要求。
②零部件技术条件类标准。ASTM E1129-15《热电偶接插件》标准[5]涵盖可分离单支圆形引脚的热电偶连接器。ASTM E1652-15《廉金属热电偶、铠装铂电阻和贵金属热电偶制造中使用的氧化镁和氧化铝粉末及可压碎绝缘子》标准[6]涵盖用于制造贵金属、廉金属铠装热电偶及铠装热电偶电缆和铠装铂电阻的零件或材料——氧化镁、氧化铝粉末和可压碎绝缘子的要求，包括绝缘材料的成分、绝缘子尺寸、密度和破裂模数、试验方法、储存和运输要求等。ASTM E1684-15《微型热电偶接插件》标准[7]涵盖可分离单电路带扁平引脚的微型热电偶连接器。
③试验方法类标准。ASTM E780-17《铠装热电偶电缆和铠装热电偶的室温绝缘电阻试验方法》标准[8]对铠装热电偶电缆及铠装热电偶绝缘电阻的测量设备、测量程序和试样作了详细规定。ASTM E839-11(2016)《铠装热电偶和铠装热电偶电缆的试验方法》标准[9]没有给出产品要达到的技术指标，这些由其他ASTM标准提供。该标准仅提供各项技术要求试验的详细测试方法，以确定铠装热电偶和铠装热电偶电缆的特性。ASTM E2820-13《廉金属热电偶接插件热电动势特性评定的试验方法》标准[10]描述了E、J、K、N和T型热电偶连接器的热电动势测试方法。
④指南类标准。ASTM E1350-13《铠装热电偶安装前、安装后或使用中的整机组件和连接线测试指南》标准[11]为用户提供了铠装热电偶安装前、安装后或使用过程中测试铠装热电偶整个回路的方法。参照采用该标准的我国国家标准《热电偶现场试验方法》目前正在报批中，标准将适用范围扩大到所有种类的工业现场热电偶。ASTM E2846-11《热电偶验证指南》标准[12]描述了热电偶的验证测试方法，该标准对有效提升我国计量测试领域、热电偶制造和应用企业的试验室建设的整体水平具有非常实用的参考价值。
1.2 其他国家标准
英国、德国曾有各自的铠装热电偶标准，如英国标准BS EN 61515、德国标准DIN EN 61515。自欧洲实施新的国际标准后，它们都已经转为直接采用IEC的标准。1982年，日本发布了JIS C1605-1982《铠装热电偶》标准；1995年，对该标准进行修订；2012年，再次确认该标准。事实上，目前日本标准的主要技术要求仍保持在20世纪80年代初期的技术水平。
1.3 IEC国际标准
1985年，IEC以IEC SC65B(秘书处)98号文提出了《廉金属矿物绝缘热电偶电缆和热电偶(草案)》。当时除美国、英国外，大多数国家的铠装热电偶产品技术水平很落后。因此，草案提出的技术要求不能被各国接受。标准经过艰苦的拉锯，直到1995年才发布大幅删改的IEC 61515:1995《矿物绝缘热电偶电缆和热电偶》标准。按照IEC的规则，1995年的标准早就应该修订了，但是鉴于人们对上次制定的艰难过程记忆犹新，没有专家愿意接手这个工作；直到2006年，IEC才启动修订任务，中间又经过曲折的过程，直到2016年才正式出版第2版。
2 最新国际标准和我国现行标准的比较
2.1 IEC 61515:2016标准
2016年4月，IEC 61515:2016《铠装热电偶电缆和热电偶》标准[13]正式修订出版。IEC 61515:2016标准包括范围、引用标准、术语和定义、一般原则、铠装热电偶电缆和铠装热电偶的要求和验证试验、交付条件、包装、标志、证书、资料性附录(双支和三支铠装热电偶电缆和热电偶偶丝间距的替代配置、绝缘材料成分和工作温度上限)等章节。该标准规定了工业用单支、双支和三支铠装热电偶电缆及铠装热电偶的要求。此次修订增加了双支和三支产品规格，这在各国标准中是首次，大部分企业目前都将这种规格作为非标产品生产。
IEC 61515:2016与IEC 61515:1995的主要技术变化如下。
①对双支和三支类型进行了规范；对绝缘电阻的要求进行了修订，以便用户根据需要，选择最佳产品。
②扩展了新的套管材料。
③增加了测试项目、方法，以增强用户体验的友好性。
2.2 我国现行标准
我国现行的铠装热电偶电缆和铠装热电偶标准分别为《工业铠装热电偶技术条件》(JB/T 5582-2014)[14]、《廉金属铠装热电偶电缆》(JB/T 8205-1999)[15]和《铠装热电偶电缆和铠装热电偶》(GB/T 18404-2001)[16]。
1981年，我国制定了行业标准ZB Y027-81《铠装热电偶技术条件》。该标准后按新标准号体系重新编号，当前版本为JB/T 5582-2014《工业铠装热电偶技术条件》标准。我国自20世纪80年代起，就参与IEC SC65B/WG5温度工作组，全程参与两版IEC 61515的制定。虽然1985年版的草案中，我国有很多指标达不到要求，但是我国从那时起就着手技术攻关。1987年，我国制定了JB 8205系列铠装热电偶电缆标准，该标准当前的版本是JB/T 8205-1999 《廉金属铠装热电偶电缆》。2001年，制定了GB/T 18404-2001《铠装热电偶电缆和铠装热电偶》标准，该标准等同采用IEC 61515：1995。在这一版起草之初，由于IEC 61515:1995的技术要求比当时的JB/T 5582-1991和JB/T 8205-1999低，国内行业专家都犹豫是否要将IEC标准转化为国标，后考虑我国采用国际标准的政策和对标委会采标率的评价，我国仪表材料和温度仪表的标准化主管单位联合，将该IEC标准转成国标。该标准适用于由一对廉金属偶丝构成的一般工业用铠装热电偶电缆和铠装热电偶。
2.3 标准比较
IEC 61515:2016与GB/T 18404-2001的技术差别就是前文提到的IEC 61515:2016与IEC 61515:1995的差别，现对IEC 61515:2016和JB/T 8205、JB/T 5582-2014的主要技术条件指标进行比较。
2.3.1 IEC 61515:2016与JB/T 8205的比较
IEC 61515:2016与JB/T 8205的主要技术指标比较如下。
①尺寸规范。IEC 61515:2016在JB/T 8205单支尺寸的基础上，增加了3.2 mm、4.8 mm、6.4 mm、9.5 mm、10.8 mm这5种外径规格。
②电缆横截面。IEC 61515:2016增加了双支和三支类型横截面规范，但对绝缘层厚度未作相应规定，它应当满足绝缘强度要求和绝缘电阻要求。JB/T 8205只给出单支类型。
③表面粗糙度。IEC 61515:2016规定套管整体表面粗糙度应等于或优于GB/T 131表面粗糙度3.2 μm ，JB/T 8205无细化要求。
④套管完整性检查。IEC 61515:2016规定热电偶电缆应浸泡在水中5 min(不包括热电偶电缆末端)，取出后测量绝缘电阻，相较于JB/T 8205要求的浸泡60 min，在试验时间上更快捷。
⑤套管延展性和偶丝延展性。在IEC 61515:2016中，这是2项试验，JB/T 8205对应的则是“可绕半径”试验。IEC 61515:2016要求“可绕直径为样品直径6倍的芯轴3圈”，JB/T 8205则要求“在5倍其直径的圆柱体上弯绕5圈”。由此可以看出，JB/T 8205的要求更高。另外，IEC 61515:2016新增了套管材料鉴别技术要求。
⑥室温绝缘电阻。虽然IEC 61515:2016和JB/T 8205的热电偶电缆外径分类不同，但最小室温绝缘电阻指标基本一致。对外径1 mm以上的铠装热电偶，室温绝缘电阻指标大幅提高。
出于电气安全的考虑，室温绝缘电阻指标一般不是很高。而铠装热电偶的室温绝缘电阻不仅仅是电气安全要求，它采用简单经济的测试方法，对产品的原料质量、防潮工艺的严密性以及最终产品的密封性进行综合考核。
⑦高温绝缘电阻。IEC 61515:2016的指标体系发生了变化，IEC 61515:2016按不同外径分别提出了在300 ℃、500 ℃、800 ℃和1 000 ℃的技术指标，指标采用“MΩ·m”形式给出，对实际技术要求有较大的提高。JB/T 8205则只在一个温度点检验，固定加热长度为0.5 m。
⑧绝缘强度。IEC 61515:2016增加了绝缘强度技术要求，这是对删除电缆横截面绝缘层厚度要求的解决方案。绝缘层厚度要求存在两个问题：一是尺寸链表达要求难以满足；二是实际测量需要采取损坏性手段，且只测得测量断面的情况，其他断面情况仍然不明。绝缘强度是铠装热电偶的一项出厂必检项目。因此，这一要求对铠装热电偶电缆绝缘材料的选择和制造工艺过程的控制是综合性考验。
⑨热电动势测量。IEC 61515:2016和JB/T 8205要求相同，JB/T 8205给出了详细的试验方法。
2.3.2 IEC 61515:2016与JB/T 5582-2014的比较
IEC 61515:2016与JB/T 5582-2014的主要技术指标比较如下。
①外观及装配质量。除成品热电偶表面应目测干净、干燥外，IEC 61515:2016规定：整体表面粗糙度应等于或优于GB/T 131表面粗糙度3.2 μm。粗糙度应通过与表面粗糙度样块比较来确定。
②热电偶元件。IEC 61515:2016对JB/T 5582-2014尺寸规格进行扩充，增加了3.2 mm、4.8 mm、6.4 mm、9.5 mm、10.8 mm这5种外径规格，并对双支和三支类型进行了规范。
③热电偶测量端区外径和热电偶测量端纵截面尺寸。IEC 61515:2016和JB/T 5582-2014规定的接壳型、绝缘型测量端纵截面一致。
④常温绝缘电阻。当0.5 mm ⑤高温绝缘电阻。IEC 61515:2016给出了T、J、E、K、N这5类分度号在温度分别为300 ℃、500 ℃、800 ℃、1 000 ℃，且0.5 mm≤D≤1.6 mm、1.6 mm ⑥热响应时间、热电动势及允差、极性和跌落试验。IEC 61515:2016和JB/T 5582-2014对这4项的要求一致。 ⑦偶丝对电阻(指一对热电偶丝的电阻)。JB/T 5582-2014无该项技术要求。IEC 61515:2016规定偶丝对电阻应符合企业自己的声明，这看上去是一项很宽松的要求，但是实际上对制造企业的产品工艺一致性提出了很高的要求。我国企业通常不提供该项参数，因为企业的铠装热电偶电缆的来源多样化，内部偶丝的粗细均匀性难以检测，各端点焊接的工艺一致性也不够稳定；偶尔有企业在样本中提供该数据，来源往往是国外产品样本或按热电偶丝材标准提供的数据估算。IEC 61515:2016虽然提出了该项技术要求，但是没有规定试验方法。由于存在热电偶的热电势，采用一般模拟万用表测量会有较大误差，因此需要采用恒流法的数字万用表，正反两次测量取平均值。 ⑧焊接封头密封性。IEC 61515:2016对此作了严格规定，规定水淬试验、惰性气体压力试验、液氮试验、着色探伤试验，较JB/T 5582-2014增加了着色探伤试验，且将氮气气氛改为惰性气体气氛。IEC 61515:2016另外增加了冷端密封水浸试验、X射线照相检查。实际上，X射线照相检查并不是独立的项目，而是热电偶测量端纵截面尺寸的试验方法。冷端密封水浸试验则是对绝缘型工作端产品的冷端密封效果进行检查。 2.3.3 IEC 61515:2016的缺憾 尽管IEC 61515:2016反映了近期技术的发展，它采用常温绝缘电阻、绝缘强度、偶丝对电阻等低成本测试项目，实现对生产工艺和内在质量的综合检测，是对国外企业质量控制方法的总结，隐含着对我国的铠装热电偶电缆和铠装热电偶制造厂的更高要求。但是鉴于各国热电偶技术发展水平不一样，该标准还存在以下问题。 ①室温绝缘电阻过低，低于高温绝缘电阻。IEC 61515:2016对室温绝缘电阻的技术水平偏低。虽然国际上对于室温绝缘电阻的规定没有相应内容进行规范，但是20 MΩ远低于同类国际标准的指标。只有日本标准中室温最小绝缘电阻允许采用20 MΩ要求，本标准及其他主要经济体的标准的要求都不低于100 MΩ。IEC 61515:2016在这一点上的表现非常不协调，既比自己规定的铠装热电偶电缆低，又比IEC 61515:1995低。 IEC 61515:2016标准中，铠装热电偶的室温最小绝缘电阻如表1所示。 表1 室温最小绝缘电阻 表1中：对长度超过10 m的热电偶，最小绝缘电阻值应由用户与供方协商确定。 从表1可以看出，当0.5 mm ②表面粗糙度的表达没有完全采用当前国际标准。 ③仍然与ASTM标准有较大差距。对照ASTM标准，IEC 61515:2016的各项指标、参数等的科学性、先进性和合理性还有待提高。 本文对比分析了最新铠装热电偶国际标准和我国现行标准的主要技术条件指标。总体而言，我国相关标准与国际标准技术水平相当，但是在产品类型规范、套管材料鉴别、高温绝缘电阻细分、偶丝对电阻要求和焊接封头密封性试验等方面仍存在一定差距，还有很大的提升空间。 随着全球新一轮科技革命的到来和“中国制造2025”战略的大力推进，铠装热电偶作为基础的测温元件，其作用日益凸显。结合我国热电偶行业现状，加快最新国际标准转化，对于推动我国热电偶企业转型升级、提升我国热电偶行业的整体质量水平及其市场竞争力具有重要意义。 [1] ASTM.Standard specification for type K and type N mineral-insulated, metal-sheathed thermocouples for nuclear or for other high-reliability applications:ASTM E235-12[S].2012. [2] ASTM.Standard specification for compacted mineral-insulated, metal-sheathed, base metal thermocouple cable:ASTM E585-12[S].2012. [3] ASTM.Standard specification for mineral-insulated, metal-sheathed base metal thermocouples:ASTM E608-13[S].2013. [4] ASTM.Standard specification for compacted mineral-insulated, metal-sheathed, noble metal thermocouples and thermocouple cable:ASTM E2181-11[S].2011. [5] ASTM.Standard specification for thermocouple connectors:ASTM E1129-15[S].2015. [6] ASTM.Standard specification for magnesium oxide and aluminum oxide powder and crushable insulators used in the manufacture of base metal thermocouples, metal-sheathed platinum resistance thermometers, and noble metal thermocouples:ASTM E1652-15[S].2015.[7] ASTM.Standard specification for miniature thermocouple connectors:ASTM E1684-15[S].2015. [8] ASTM.Standard test method for measuring the insulation resistance of mineral-insulated, metal-sheathed thermocouples and mineral-insulated, metal-sheathed cable at room temperature: ASTM E780-17[S].2017. [9] ASTM.Standard tests methods for sheathed thermocouples and sheathed thermocouples cable:ASTM E839-11(2016)[S].2016. [10]ASTM.Standard test method for evaluating thermal EMF properties of base-metal thermocouple connectors:ASTM E2820-13[S].2013. [11]ASTM.Standard guide for testing sheathed thermocouples,thermocouples assemblies,and connecting wires prior to,and after installation or service:ASTM E1350-13[S].2013. [12]ASTM.Standard guide for thermocouple verification:ASTM E2846-11[S].2011. [13]IEC.Mineral insulated metal-sheathed thermocouple cables and thermocouples:IEC 61515:2016[S].2016. [14]全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.廉金属铠装热电偶电缆:JB/T 8205-1999[S].北京：机械工业出版社，1999. [15]机械工业仪表功能材料标准化技术委员会.工业铠装热电偶技术条件:JB/T 5582-2014[S]. 北京：机械工业出版社，2014. [16]机械工业仪表功能材料标准化技术委员会.铠装热电偶电缆和铠装热电偶:GB/T 18404-2001[S].北京：中国标准出版社，2001. Analysis of Domestic and Foreign Standardizationfor Mineral Insulated Metal Sheathed Thermocouple Cables and Thermocouples SU Xingli (Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China) Mineral insulated metal sheathed thermocouple is one of the commonly used temperature instruments,and the research on that has been paid much attention all over the world.The standard of IEC 61515：1995 “Mineral Insulated Metal-sheathed Thermocouple Cables and Thermocouples” was revised in 2016 by IEC. To better understand this international standard,the standard systems of mineral insulated metal sheathed thermocouple cables and thermocouples of the United States,Japan,and China are analyzed respectively. The ASTM standards are introduced emphatically,and then,the main technical specifications of IEC 61515:2016 and Chinese current standards GB/T 18404-2001,JB/T 8205-1999,and JB/T 5582-2014 are compared and analyzed. The shortcomings of IEC 61515:2016 about insulation resistance is too low under ambient temperature are introduced briefly. The IEC 61515:2016 standard is of great significance for promoting the progress of thermocouple technology and improving the overall quality level of China’s thermocouple industry. Temperature instruments;Mineral insulated metal sheathed thermocouple;Metal protecting sheath;Insulation materials； Insulation resistance 苏杏丽(1981—)，女，学士，工程师，主要从事工业过程自动化仪表及其技术的研究。E-mail:sxl@sipai.com。 TH86；TP21 A 10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708016 修改稿收到日期:2017-02-16
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