高端温度传感器的开发与应用

王魁汉，常方圆

（沈阳东大传感技术有限公司，辽宁 沈阳110179）

温度传感器及仪表产业对促进工业转型升级，发展战略性新兴产业发挥着重要作用。当前我国温度传感器的现状是：中、低端产品供大于求，而高端温度传感器则供不应求，往往需要进口。为此，笔者有针对性地开发高端温度传感器，以满足社会不断增长的刚性需求，现已在航空航天等领域应用。

1 高端温度传感器的开发与应用

1.1 航空航天用高端温度传感器

（1）2750E/D 标准

美国宇航材料标准（AMS）《高温测量》于1980年第一次发布，并不断更新版本，一直保持其先进性、权威性。AMS2750E 是2012 年的最新版本。世界领先的航空企业如空客、波音公司等多家企业均取得航空认证（Nadcap），必须执行AMS2750E 高温测量标准。 我国已有沈飞、黎明公司等多家企业取得Nadcap 认证。 2008 年我公司成为国内首家，可按该标准生产高端温度传感器的企业。

（2）标准特点

准确度高； 不单独对补偿导线提出精度要求，强调测试系统的精度；对热电偶的EMF 与t 关系的线性度要求高，国产N 型热电偶通常难以满足100～1 000 ℃温度范围内的允差要求；廉金属热电偶只推荐N 与J 型，t＞260 ℃，K 型不能重复校准。

1.2 高端温度传感器的开发与应用

1.2.1 系统精度测试传感器（SAT）

为了探讨国产与进口铠装热电偶精度， 可否满足2750E 标准要求， 在实验室对国产及进口厂商提供的共13 支样品进行如下试验（100～1 100 ℃）（见表1、表2 及图1～图3）。

试验结果为： 国产热电偶75%， 进口热电偶100%满足2750E 要求； 国产与进口热电偶各有一支达到极品级。即在100～1 000 ℃范围内，其绝对误差仅为±1.1 ℃以内。

1.2.2 炉温均匀性测试传感器（TUS）

（1）t≤1 250 ℃

表1 试验结果

表2 试验结果

图1 国产A 全程误差曲线图

图2 德国A 全程误差曲线图

图3 美国全程误差曲线图

为了探讨K 型热电偶的高温稳定性及准确度，取相同规格的国产及进口铠装热电偶（Φ2）各两支，在1 250 ℃下进行100 h 试验（见图4）。

试验结果为： 国产铠装热电偶性能良好， 直到100 h 仍满足Ⅰ级要求；进口铠装热电偶试验开始就超差，并分别在88 h 与95 h 开路。

图4 1 250 ℃Φ2K 型铠偶100 h 测试记录曲线图

结果表明，在1 250 ℃下，国产铠装热电偶可满足TUS 测试要求。

（2）t≥1 300 ℃

弥散强化S 型热电偶及特殊的刚玉绝缘管，既可防止折断偶丝，又有一定的柔软性，其使用寿命较普通S 型裸偶提高5 倍（见图5）。

图5 弥散强化S 型热电偶实物图

1.2.3 研发新型高精度补偿导线

由补偿导线国家标准可以看出： 即使是精密级补偿导线也难以满足SAT 要求，为此，作者研发了高精度补偿导线（见表3）。

1.2.4 应用

作者现已研发SAT 测试传感器超千支，成功用于替代进口产品。其中2016 年为某企业提供100 支2750E 用N 型测试传感器，经北京304 所检测，一次性合格率为100%。

2 新型温度传感器

2.1 快速响应热电偶与智能型时间常数测量与分选装置

2.1.1 快速响应热电偶

目前， 高新技术要求热电偶的时间常数为毫秒级或更小。 作者曾为成都航发提供时间常数为40 ms 的热电偶， 并为美国等发达国家提供0.3 s 以下的快速响应热电偶30 多万支。

2.1.2 变截面快速响应热电偶

为消除或减少炉温控制过冲， 开发出多种形式的变截面热电偶（见图6）。

表3 新型高精度热电偶补偿导线的允差

图6 变截面快速响应热电偶实物图

（1）铠装热电偶：从Φ6～8 mm 变为Φ2 mm，热响应时间从4～6 s 变为0.2～0.4 s。

（2）装配式热电偶

①金属保护管：从Φ16 mm 变为Φ3 mm，热响应时间从82.46 s 变为1.673 s。

②刚玉保护管： 从Φ16 mm 变为Φ8 mm 或更小，热响应时间大幅度下降。

2.1.3 首创机器人测量时间常数的装置——智能型全自动测量与分选装置

目前，在国际上尚未发现有类似装置[1]（见图7）。本装置的特点如下：

（1）温度传感器时间常数全自动测量；

（2）按传感器时间常数大小，自动分选存储；

（3）自动排查不良品，如极性接反及断路等；

图7 智能型时间常数测量与分选装置实物图

（4）测量与分选效率较人工提高8～10 倍。

实践证明该装置性能稳定可靠， 可以有效保证出口商品质量与工期。

2.2 热处理炉专用热电偶

2.2.1 渗碳炉、多用炉专用热电偶

采用特种不锈钢或耐热合金钢作为热电偶的外保护管及刚玉内管， 形成复合管型结构， 具有耐高温、抗还原性气体腐蚀的功能，适用于各种多用炉、渗碳炉或含碳等还原性气氛。国内外多用炉、渗碳炉专用热电偶性能对比见表4， 我公司该系列产品已达国际先进水平，并已替代进口热电偶[2]。

2.2.2 真空、高温与高压专用热电偶

笔者已研发出可拆卸的真空炉专用热电偶和超高真空（10-6Pa）炉用热电偶及超高压（15 MPa）用钨铼热电偶[3]。

表4 国内外多用炉、渗碳炉专用热电偶性能对比

2.2.3 全部可拆卸型真空炉专用热电偶

真空炉专用热电偶有的部件易损坏， 尤其采用陶瓷保护管的热电偶。 为了降低成本，使修复工作变得简单易行， 笔者开发出使用者可自行修复的全部可拆卸型真空炉专用热电偶（见图8）。当发现热电偶有的部件损坏时，用户可自行更换修复，很受欢迎。

图8 全部可拆卸真空炉用热电偶实物图

3 温度测量系统在线原位校准技术与仪表

笔者率先提出温度测量系统在线原位校准的理念与装置[4]，为国家“十三五”规划中扁平化溯源技术的开发及应用提供了一种行之有效的方法。

3.1 离线式分立元件检定法的弊端

（1）检定合格的热电偶在现场使用时有可能不合格。

（2）测温系统组件分别检定合格，但组成测温系统却不一定能满足要求。

3.2 在线原位校准技术与仪表

在现场实时工作状态下， 对测量系统进行准确度校准，称为在线原位校准。即被校测温系统原位不动插入标准器，利用现场加热设备作热源，对现场测温系统实施的原位校准。

3.3 便携式在线校准仪（专利）

（1）便携式在线校准仪的研制

便携式在线校准仪的组成：

①精选高精度Ⅰ级N 型或K 型铠装热电偶，精度为0.2%～0.4%； ②新型高精度补偿导线NXST；③LED 显示，储存1~99。

（2）应用

以现场工业炉作为比较热源， 测温系统原位不动，利用便携式校准仪进行在线校准（见图9）。 作为工作标准，在线校准各种测温系统，具有准确度高，使用方便等特点。 每台校准仪均带有国家认可实验室的校准证书。

3.4 带有校准孔的专用热电偶（专利）

该种传感器既可用于对炉温的测量与控制，又可在需要进行校准时提供校温孔（见图10）。 而且，标准与被校传感器的测量端间距小于5 mm，十年来已在诸多热处理厂应用。

图9 新型便携式在线原位校准仪实物图

图10 带有校准孔的专用热电偶实物图

3.5 具有防漏、可更换的带有校准孔的新型热电偶

为了防止打开校准孔前保护管已破损， 或在校准过程中保护管破损，造成炉内外相通，致使炉内发热体或工件氧化或烧损。作者在原有带校准孔热电偶基础上增加防漏装置， 即使外保护管或校准孔破损，仍可更换控温热电偶或实施在线校准（见图11）。

图11 防漏且可更换的带有校准孔的新型热电偶实物图

4 结语

温度传感器、 智能化仪器仪表及其所构成的测控系统，是不可缺少的基础技术与装备核心，对促进工业转型升级、发展新兴产业发挥重要作用。多年实践表明：依靠自有技术，坚守工匠精神，就能开发出高端温度传感器，替代进口，走向世界。