“工业钨铼热电偶技术条件”新标准的编制与简介

王魁汉，李明华

（1.沈阳东大传感技术有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233）

“工业钨铼热电偶技术条件”新标准的编制与简介

王魁汉1，李明华2

（1.沈阳东大传感技术有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233）

为了更好地贯彻执行最新实施的工业钨铼热电偶行业标准，简要介绍了该标准的内容及编制过程。探讨了标准中有关工业钨铼热电偶分类与不可拆卸性、适用温度范围、使用气氛、允差、热电动势稳定性及高温绝缘电阻等相关规定与技术指标。详细论述了工业钨铼热电偶防氧化技术、最高检验温度、维持时间及高温绝缘电阻值的确定依据。需要注意的是，工业钨铼热电偶标准规定，对带有钼等易氧化材质保护管的工业钨铼热电偶，必须在真空或保护气氛下进行校准。工业钨铼热电偶标准将促进我国工业钨铼热电偶的发展与应用。

钨铼热电偶；工业热电偶；热电动势；使用气氛；允差；高温绝缘电阻

0 引言

由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会第一分技术委员会组织制定的“工业钨铼热电偶技术条件”标准，经起草单位共同努力、起草人相互配合，通过大量试验研究，对各种试验数据反复核实、编制内容反复推敲，在认真听取专家意见的基础上，经过7次修改，最终形成报批稿，现已发布实施［1］。

虽然我国有钨铼热电偶校准规范［2］，但该规范只规定了钨铼热电偶热电动势的校准方法，并不是工业钨铼热电偶产品标准。有关工业钨铼热电偶全面技术性能要求的标准，在国内外尚未见相关报导。该标准的发布必将促进我国工业钨铼热电偶的发展与应用。

1 工业钨铼热电偶的发展

钨铼热电偶是在1931年由Goedecke（戈德克）首先研制成功的，在20世纪六七十年代发展成为商品化的难熔金属热电偶。但当时钨铼热电偶丝的均匀性很差，无互换性。每批钨铼热电偶丝的分度表皆不相同，无相应的仪表配套。为此，各国都在努力改进钨铼热电偶的生产工艺或开发新的工艺。直到1984年，美国率先实现钨铼热电偶的统一分度。继美国之后，我国在1986年也实现了钨铼热电偶的统一分度，并建立了有关钨铼热电偶丝的国家标准［3］与校准规范，为其推广应用奠定基础，并促进了钨铼热电偶的开发与应用。

20世纪九十年代初，铂铑热电偶价格飞涨，而钨铼热电偶价格便宜，人们试图用钨铼热电偶替代贵金属铂铑热电偶。当时，国内开始生产钨铼热电偶单位有近百家。由于钨铼热电偶开发与应用的时间较短，人们对其性能又不甚了解，尤其是其防氧化技术更难以掌握，最后，仅有几家继续坚持开发研究［4-5］。

最近，随着高温、超高温、宇航及尖端测温技术的刚性需求，钨铼热电偶的生产厂家有所增加。我国有关钨铼热电偶防氧化的理论研究与生产制造技术飞速发展［6］。国内外尚无工业钨铼热电偶的技术规范或标准，这就阻碍了其进一步发展。为了促进国内钨铼热电偶的快速发展，工信部及时批复沈阳东大传感技术有限公司的申请，同意将“工业钨铼热电偶技术条件”列入2011年第三批行业标准制修订计划。

工业钨铼热电偶性能对比如表1所示［7-8］。

表1 工业钨铼热电偶性能对比Tab.1 Comparison of industrial tungsten rhenium thermocouples

表1中：t为检验点温度，℃。

2 标准适用范围

2.1 钨铼热电偶分类

（1）热电偶丝的分类。

ASTM将热电偶分为3类：①廉金属热电偶；②贵金属热电偶；③难熔金属热电偶。

难熔金属热电偶定义为：热电偶单极材料熔点高于1 935℃，且热电偶的主要元素是难熔金属或合金。钨铼热电偶属于难熔金属热电偶。

（2）热电偶的分类。

工业热电偶按其整体结构分为3类。

①可拆卸工业热电偶。

②不可拆卸工业热电偶。

a.实体工业热电偶。

工业钨铼热电偶属于不可拆卸结构。工业钨铼热电偶组件不能从保护管中取出。国内多为实体化工业钨铼热电偶。国外多为抽空或充气式钨铼热电偶，但全部为不可拆卸结构。

b.铠装工业热电偶。

③柔性电缆热电偶。

（3）工业钨铼热电偶分类。

工业钨铼热电偶由钨铼合金热电极、绝缘物、保护管与接线盒等组成，热电极组件不可以从保护管中取出。

工业钨铼热电偶按使用环境，主要分为氧化物保护管工业钨铼热电偶（用于常规环境）和钼及其他难熔金属保护管工业钨铼热电偶（适用于真空、干燥H2及惰性气氛）。

①钨铼5-钨铼20热电偶。

由正极质量名义成分为95%钨、5%铼的合金，负极质量名义成分为80%钨、20%铼的合金组成的热电偶为钨铼5-钨铼20热电偶，分度号为A。

②钨铼5-钨铼26热电偶。

由正极质量名义成分为95%钨、5%铼的合金，负极质量名义成分为74%钨、26%铼的合金组成的热电偶为钨铼5-钨铼26热电偶，分度号为C。

③钨铼3-钨铼25热电偶。

由正极质量名义成分为97%钨、3%铼的合金，负极质量名义成分为75%钨、25%铼的合金组成的热电偶钨铼3-钨铼25热电偶，分度号为D。

2.2 标准适用范围

该标准适用于温度范围不高于1 500℃、分度表符合国标（GB/T 29823）的带有保护管且不可拆卸的工业钨铼热电偶。对于其他型式或温度范围高于1 500℃的工业钨铼热电偶，可参照采用该标准的全部或部分条文。

（1）温度范围。

钨铼热电偶的理论温度上限可达2 500℃，但这是在理想条件下的使用上限，实际的工业钨铼热电偶必须有绝缘物。绝缘材料暂不能达到高温上限，热电偶也不可能只在真空、惰性气氛中使用。因此使用温度也必然低于理论使用温度上限。国内外虽然有上限温度达2 000℃的产品，但大部分只限用于真空、惰性气氛。当温度高于1 500℃时，目前国内外还没有公认的、能保证试验准确度的试验装置和试验方法。我国的《钨铼热电偶校准规范》所覆盖的温度范围是1 500℃。因此，该标准的温度适用范围只能≤1 500℃。

（2）允差。

钨铼热电偶允差如表2所示。

表2钨铼热电偶允差Tab.2 Tolerance of tungsten rhenium thermocouples

我国钨铼热电偶丝的国标（GB/T 29823）中，其允差分为0.5%与1%两种，但该标准仅保留1%这一种精度等级，原因如下。

①工业钨铼热电偶由热电偶丝及保护管等组成。热电偶的精度主要受其热电偶丝精度的影响。由0.5%级钨铼热电偶丝制成的工业钨铼热电偶，受偶丝均匀性及绝缘材料等因素影响，不一定全部都能达到0.5%级。钨铼热电偶的生产厂需要经过筛选，才有可能达到0.5%级。

②该标准严格建立在自身大量试验数据的基础上，可是钨铼热电偶国标（GB/T 29823），是在该标准即将完成时发布的。因此，钨铼热电偶的生产厂及编制小组尚未全面探讨生产0.5%级工业钨铼热电偶的可行性、合格率及稳定性。因为钨铼热电偶丝检定不符合0.5%，可剪掉前端部分，其后部仍可使用。但工业钨铼热电偶剪掉后就不能再用了。因此，将0.5%级列入该标准时机尚未成熟。

③ASTM有关钨铼热电偶丝的精度等级也只有1%一种。

综上所述，在目前条件下，该标准的允差定为1%是稳妥的。将来钨铼热电偶生产厂可大量生产0.5%级工业钨铼热电偶，或者通过大量试验证明0.5%级工业钨铼热电偶稳定可靠时，建议再修定增加0.5%级。

（3）使用气氛。

①钨铼热电偶丝的使用气氛，ASTM推荐为：真空、干燥H2及惰性气氛。

②工业钨铼热电偶的使用气氛，分为以下两种。

a.氧化性气氛：带有Al2O3等陶瓷保护管的工业钨铼热电偶。

b.真空或保护气氛：带有钼等难熔金属保护管的工业钨铼热电偶。

（4）绝缘电阻。

工业钨铼热电偶的绝缘电阻值，对高温稳定性及其使用寿命影响很大，有的钨铼热电偶性能欠佳，原因之一是其绝缘电阻值太小。高温绝缘电阻是随时间变化的，变大、变小、几乎不变各占1/3。由于填充材料或绝缘物尚存在少量水分，则因烘干的作用，使高温绝缘电阻变大；如果绝缘物与填充材料中杂质发生作用，则电阻可能变小。为了探讨合理的高温绝缘电阻值，沈阳东大传感技术有限公司及其合作单位，分别在1 100℃、1 300℃和1 500℃下，测量钨铼热电偶高温绝缘电阻值。

试验结果表明，1 300℃、1 500℃的高温绝缘电阻值很小，尤其在1 500℃下更小，难以确定合理的数值，而1 100℃的高温绝缘电阻值相对较大，故将高温绝缘电阻的检验温度定为1 100℃。高温绝缘电阻检验温度点的确定，参考了ASTM E608的铠装热电偶标准中K型和N型铠装热电偶的上限温度均高于1000℃，但其高温绝缘电阻检验温度却定为1 000℃。因此，该标准将工业钨铼热电偶的高温绝缘电阻检验温度确定为1 100℃。高温绝缘电阻电阻值应不小于0.02 Ω。钨铼热电偶绝缘电阻试验结果如表3所示。

表3中：①、②为任两组试验；均值为对①、②两组试验数据求平均。

（5）校准。

为了确保温度量值的准确可靠，对新制或使用中热电偶进行定期或不定期校准是必要的。但值得注意的是，钨铼热电偶的特性：高温下因晶粒长大而变脆，在运输或安装过程中，有可能脆断；或者在间歇式操作过程中，在热应力作用下而断裂。因此，在校准时应注意以下几点。

表3 绝缘电阻试验结果Tab.3 The test results of insulation resistance

①工业钨铼热电偶不可拆卸。

在校准时，热电偶组件是不能从保护管取出的，这样就难以准确判断因测量端位置而产生的误差。

②钨铼热电偶的参考端一定要放入冰点恒温器内。

③工业钨铼热电偶高温校准炉。

工业钨铼热电偶的保护管有两类。

①Al2O3等陶瓷保护管。这类钨铼热电偶可以在现有的高温炉校准。

②钼等难熔金属保护管。这类钨铼热电偶的保护管极易氧化，必须在带有真空或惰性气体保护气氛的专用炉中校准；否则，热电偶保护管氧化，不仅污染检定炉，而且热电偶也因外管氧化而损坏。

2.3 热电动势稳定性的试验研究

钨铼热电偶稳定性试验曲线如图1所示。

钨铼热电偶高温稳定性的最高检验温度点及维持时间的确定，是该标准的重要内容之一。为了确保该标准技术条件准确、可靠，自行设计高温稳定性试验，以及常温、高温绝缘电阻试验。由北京航天卫通测控设备研究所及沈阳东大传感技术有限公司提供21支（有6支为双支热电偶）样品。3年多来，经中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所及沈阳东大传感技术有限公司在1 500℃的高温下，共进行7次试验，累计试验时间1 000多小时。试验结果表明：在100 h内，有18组合格，占总数的66.7%。稳定性试验结果如表4所示。

图1 稳定性试验曲线Fig.1 Stability test curves

①工业钨铼热电偶稳定性试验方式。

该标准未明文规定试验方式，即制造厂或用户可自行选择连续或间歇式试验方案。两种方式各有特点。连续试验方式的热电偶稳定性要优于间歇式，但试验者要日以继夜工作。间歇式方便试验者，上班送电，下班断电，累计热电偶工作时间；但对热电偶稳定性而言，间歇式操作对热电偶不利，在热应力反复作用下有可能断线。

表4 稳定性试验结果Tab.4 Stability test results

②稳定性试验时间。

ASTM E601-07a中，对廉金属热电偶材料在空气中的热电偶长期稳定性的试验要求是极为全面、严格的。其试验时间为500 h（约为1个月的有效工作日）。而对镍铬-镍硅热电偶丝（GB/T 2614）及在镍铬硅-镍硅热电偶丝（GB/T 17615）的稳定性试验时间均为200 h，GB/T 30429规定为250 h（约为两周的工作日）。

参照上述条文，该标准开始将稳定性试验时间定为200 h。由沈阳东大传感技术有限公司与北京航天卫通测控设备研究所提供8支样品，经沈阳东大传感技术有限公司与中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所进行稳定性试验。但是，在1 500℃的高温下进行200 h的试验过程中，两家测试单位的测试炉各烧坏过一次，同时发现钨铼热电偶的高温稳定性试验在100 h内就已出现断偶或不符合要求的热电偶。为此，欲用100 h作为考核检验钨铼热电偶的稳定性。通过对几支不同保护管的样品热电偶100 h稳定性试验结果表明：工业钨铼热电偶的试验样品开始皆为正差，其中少量样品超差。但经过5～9 h后皆符合1%t的允差要求。经过100 h后，有67%的样品的示值误差满足1%t的变化要求，只有33%的样品超差。试验既可以发现或检测出稳定性不能满足要求的钨铼热电偶，又缩短了检验时间。如果沿用原定200 h稳定性试验时间，不仅耗能费时，还有可能烧损检定炉。综上所述，将稳定性试验时间定为100 h是适宜的。

3 钨铼热电偶的防氧化技术

（1）钨铼热电偶的特点。

①钨铼热电偶的熔点高（3 000℃以上），强度大。

②钨铼热电偶在空气中极易氧化，高温下晶粒迅速长大。

③钨铼热电偶同贵金属热电偶相比热电动势率大，灵敏度高。

④钨铼热电偶价格便宜，仅为S型热电偶的1/9。

（2）钨铼热电偶的防氧化技术。

为了在氧化性气氛中使用钨铼热电偶，必须探讨其防氧化技术。

目前，国际通行的防氧化技术有两种：物理法与化学法［9］。其共同点是在钨铼热电偶保护管内，人为制造适宜钨铼热电偶丝的工作气氛。通常采用经典的物理法，即对保护管抽空、充气，然后将其末端严格密封，形成不可拆卸的工业钨铼热电偶。

（3）不可拆卸的工业钨铼热电偶。

工业钨铼热电偶，通常皆为不可拆卸。在该标准制定过程中，有人建议在适用范围中去掉“不可拆卸”。由于当前尚有部分使用者或计量人员对钨铼热电偶的特点不熟悉、不了解，有可能在校准工业钨铼热电偶时，强行将密封好的工业钨铼热电偶组件从保护管中抽取出来校准，放入普通高温炉中，致使钨铼热电偶氧化损坏不能用。因此，将工业钨铼热电偶前加上“不可拆卸”的定语，对正确使用及校准工业钨铼热电偶是有益的。

4 标准特点

（1）开创性与先进性。

钨铼热电偶早在1931年研制成功，但是，直至1984年实现了统一分度以后，才真正得以发展，尤其是随着高温、宇航及尖端技术的刚性需求，钨铼热电偶的应用越来越广泛。然而，直到目前为止，国际上除了钨铼热电偶丝标准外，尚未发现有关工业钨铼热电偶技术条件或标准。因此，该标准中有关工业钨铼热电偶的适用范围、允差、绝缘电阻及热电动势稳定性等技术指标，尚无可参照数据，皆需自行试验研究确定。该标准具有开创性。

（2）权威性与科学性。

①权威性。

任何一个国家的行业标准或国家标准，皆代表国家形象与技术水平。因此，作为标准，应具有权威性、科学性与实用性。该标准邀请国家计量科学研究院、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、东北大学、上海工业自动化仪表研究院等国内权威计量、科研、高等院校及生产单位共同完成。由此可以看出，该标准的编制具有很强的实用性与权威性。

②科学性。

该标准无国内外可参考的数据。因此，必须以科学试验数据作为编制该标准的基础与依据，进行大量试验。为此，在编制过程中为了确定热电动势的稳定性试验时间，进行了1 000多小时的高温试验。同样地，为了确定常温与高温绝缘电阻值，也进行了多次试验。

总之，该标准以自行试验数据为基础，认真听取各方意见，经反复讨论推敲后，确定了各项技术指标。

5 结束语

该标准自2011年10月21日下达计划，至2015年11月，经过四年的艰苦努力，新标准终于批准发布了。工业钨铼热电偶将告别无技术标准的时代。新标准发布必将促进我国乃至世界工业钨铼热电偶的发展与应用。当然，标准尚有不完善之处，有待在今后的工作中进一步修改与补充。

［1］工业和信息化部.工业钨铼热电偶技术条件：JB/T 12529-2015［S］.北京：机械工业出版社，2017.

［2］国家质量监督检验检疫总局.（0～1 500）℃钨铼热电偶校准规范：JJF 1176-2007［S］.北京：中国计量出版社，2007.

［3］国家质量监督检验检疫总局.钨铼热电偶丝及分度表：GB/T 29823-2013［S］.北京：中国标准出版社，2014.

［4］王魁汉.特种WRe温度传感器在复合参数工业环境中的应用［J］.计量学报，2007（3）：201-203.

［5］王魁汉.温度测量实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［6］王魁汉，董健.国际热工领域有关温度测量的前沿技术与最新动态［J］.仪表世界，2014（31）：30-37.

［7］王魁汉，张志鹏.温度传感器的国产化研究与应用［J］.金属热处理，2014，39（12）：170-174.

［8］ 王魁汉，黄明旭.真空炉专用热电偶及其选择［J］.真空，2014，51（6）：43-48.

［9］ WANG K，DAI M，DONG J，et al.Oxidation-resisting technology of WRe thermocouples and their industrial applications［J］.ITS，2012（15）：581-586.

Compilation and Introduction of the New Standard for“Technical Requirements of Industrial Tungsten Rhenium Thermocouple”

WANG Kuihan1，LI Minghua2
（1.Shenyang Dong Da Sensor Technology Co.，Ltd.，Shenyang 110179，China；2.Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

In order to better implement the latest industrial standard of industrial tungsten rhenium thermocouples，the contents and the compilation process of the standard are introduced briefly.The related regulations and technical specifications about the classification，non-removability，applicable temperature range，usage atmosphere，tolerance，EMF stability and high temperature insulation resistance of the tungsten rhenium thermocouples are investigated.The detailed explanations for the anti-oxidation technology of the industrial tungsten rhenium thermocouple，the maximum test temperature，the maintaining time and the high temperature insulation resistance value are given.It shall be noted that the standard for the industrial tungsten rhenium thermocouples requires that the industrial tungsten rhenium thermocouple with oxidizing easily material protection tube，such as molybdenum，must be calibrated in vacuum or protective atmosphere.The standard of industrial tungsten rhenium thermocouples will promote development and applications of industrial tungsten rhenium thermocouples in China.

Tungsten rhenium thermocouple；Industrial thermocouple；Electro motive force EMF；Use atmosphere；Tolerance；High temperature insulation resistance

TH7；TP2

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711016

修改稿收到日期：2017-07-14

王魁汉（1938—），男，学士，教授，长期从事高端温度传感器开发与严酷环境测温技术的研究。E-mail：dongdasensor@163.com。