Nadcap热处理认证高温测量中热电偶的技术探究

张 鹏，王飞云，史蒲英，李 娜

(西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018)

Nadcap是航空行业的特殊过程认证项目，通过行业管理的运作模式对航空供应链中涉及特殊过程的供应商进行过程符合性评估。

Nadcap认证主要涉及热处理、化学处理、无损检测、焊接、复合材料、喷涂、材料测试、非常规加工等专业。目前全球知名的航空主制造商都已经加入并参与到Nadcap项目之中。获得Nadcap认证也成为打开航空市场，进入航空供应链的准入门槛之一。

在Nadcap热处理认证中，热处理设备的高温测量是非常重要的审核内容[1]，而高温测量的技术依据，需要严格执行AMS2750的要求。AMS2750[2]主要涵盖热电偶、仪表、热处理设备、系统精确度测试、炉温均匀性测试等内容。其中热电偶[3]的管理与使用，是AMS2750高温测量的重中之重，许多热处理供应商由于不了解热电偶的技术原理、管理与使用要求，造成了认证失败。

1 热电偶的工作原理

热电偶是两种不同材料的导体基于塞贝克效应制成的温度计。通常两种不同材料的导体称为热电偶的两个电极，其两个电极的一端焊接在一起形成一个测量端，测量时放置于被测温场中，另一端为参考端。热电偶两端产生的电压一般在mV级别，不同金属组合可以产生不同的电压，热电偶的工作的原理图如图1所示。

不同分度的热电偶的电压与温度近似关系图2所示，根据图2可以明确。

(1)不同分度的热电偶测量的最高温度不同。因此热处理供应商需要根据不同的使用温度选择不同分度的热电偶。

(2)对于R、S、B分度的贵金属热电偶，在低温段电压非常接近，需要使用精度很高的仪表进行显示。因此，为提高显示的准确度，低温段建议使用贱金属热电偶。

(3)R、S分度的贵金属热电偶，其电压温度曲线非常接近，因此AMS2750规定，允许的驻留SAT热电偶及受试热电偶组合不允许R与S分度进行组合。这是因为当受试热电偶(热处理设备中的控制、监视或记录热电偶)发生温度漂移后，驻留SAT热电偶不能识别受试热电偶的温度漂移，从而造成严重的质量事故。

目前，有许多热处理供应商将高温测量项目进行外包，根据PRI的相关要求，热处理供应商仍应总体负责，监控及评价外包工作，以确定符合客户的要求。并且，外包的第三方高温测量服务提供商应拥有来自ILAC(国际实验室认可合作组织)认可的区域合作机构认证的ISO/IEC 17025质量体系，认可范围应包括适用的实验室标准和/或现场服务。因此，热处理供应商应仔细评价外包方相关资质以及能力，以及是否具备相关项目的测试能力，以满足AMS2750的要求。

2 热电偶的分类、校准、选择与使用

2.1 热电偶分类

依据热电偶覆盖物的不同，AMS2750对其进行了清晰的分类，分类要求见表1。

表1 热电偶分类

需要注意的是，将易耗型热电偶放到一根管子中进行保护，并不能证明其已经成为非易耗型热电偶。通常情况下，易耗型与非易耗型的分类状态，以从厂家购买的原始状态进行区分。

易耗型热电偶，为任一部分热电元件暴露在热处理设备环境中的热电偶，采用一次性使用后即抛弃的设计。非易耗型热电偶，为没有任何热电元件暴露在热处理设备环境中的热电偶，一般更为耐用，可重复使用。

2.2 热电偶的校准规范的要求

热电偶的校验方法必须满足ASTM E207[4]或E220[5]或其他国际认可标准的要求，国内校准方法主要依据国家的相关校准规范。热处理供应商应依据AMS2750的热电偶校准项目与校准证书的内容要求，评审相应的校准报告是否满足要求，是否存在缺项漏项等情况，形成相应文件记录。AMS2750F版的证书要求如下：

(1)热电偶、热电偶批次或线/电缆卷的识别号;

(2)热电偶类型，例如，K, N, E, RTD等;

(3)校准或复验日期;

(4)校准报告中监视的电线/电缆卷的数量或长度;

(5)标明为首次校验或复验;

(6)校准精度要求;

(7)使用的测试热电偶和测试仪表的识别号;

(8)名义校准温度;

(9)被测热电偶实际温度读数;

(10)参考ASTM E220或其他国际认可标准的校验方法;

(11)每个校准温度的修正系数或偏差/误差，包括盘线的平均值;

(12)文件应清楚地说明偏差(误差)或修正系数;

(13)对NIST或其他国际认可标准组织的可追溯性声明;

(14)校准机构的识别号;

(15)进行校正工作的技术员的身份;

(16)校正机构获授权代理人的批准;

(17)用户质量部门的批准。

在此需要说明的是，AMS2750会有来自五年的审查和规范更新，热处理供应商应依据最新版的要求，进行评审确认。

2.3 一般热电偶的校准精度的要求

根据热电偶在热处理设备的应用，可将传热电偶分为标准热电偶、系统热电偶、测试热电偶、负载热电偶。标准热电偶用于校验在炉子上使用的热电偶，不在热处理设备上安装。测试热电偶用于对系统精确度测试与温度均匀性测试。系统热电偶用于对热处理设备进行温度控制、监控与记录。负载热电偶用于测量炉内零件或原材料的温度，需直接与材料接触。热电偶及热电偶校准的精度要求如表2所示。

表2 热电偶及热电偶校准的精度要求

续表

根据表2的校准精度要求，热电偶在首次投用前，必须进行校准，校准精度应满足表2的要求。

在进行系统精度测试与温度均匀性检测时，热处理供应商一般采用贱金属热电偶，其校准周期为每季度(除E、K分度)。E、K分度由于使用寿命、复校后插入深度等影响，为避免造成工作量增加与潜在的不符合项，已很少采用。在此，建议需要进行Nadcap热处理认证的热处理供应商，尽量避免使用E、K分度热电偶。

控制与记录热电偶，AMS2750规定在第一次使用前进行校验，但是热处理供应商应有明确的控制文件规定其替换间隔，否则会造成不符合项。这是由于热电偶在高温环境长时间持续使用，会造成热电偶稳定性出现漂移，影响控温精度。

需要注意的是，依据AMS2750F版的要求，用于系统热电偶、测试热电偶、负载热电偶的贱金属热电偶的精度均压缩至±2 ℉ (±1.1 ℃)或 ±0.4%，对热电偶提出了更高的要求。

热电偶的校验温度应涵盖整个使用温度范围，温度间隔不应超过140 ℃，根据现场使用的实践经验，可将温度间隔设定为100 ℃，方便现场测试人员使用。

除NIST或其他国际公认标准组织外，禁止任何校准机构使用最高校准温度之上和最低校准温度之下的校准修正系数外推法。允许用线性方法在两个已知校准点之间插值修正系数。或者，应使用最临近校准点的修正系数。无论使用哪种方法，定义和应用应一致。

热处理供应商应针对AMS2750的要求核查热电偶校准报告，并且应建立相应评审程序，确保最近一次的修正值正确的应用。

2.4 盘线的校验要求

整盘采购热电偶导线，再用其制作成为单个热电偶，被称作盘线校验。该类热电偶一般为易耗型热电偶。

盘线须在首末两端取样和校准，对于同一批次的所有热电偶，任何温度下的修正系数应为两端修正系数的平均值，对于一级和二级标准热电偶为1.0 ℉或0.6 ℃，对于控制、记录和负载热电偶、系统精确度试验和温度均匀性试验热电偶来说为 2 ℉ 或1.1 ℃。但是，校准时，每卷盘线的最大长度应符合表3的要求。

表3 盘线的最大允许长度

如果盘线未能达到端到端之差的要求，可将其切为较短长度并进行重复测试，或者可以将其制作为单个热电偶。

2.5 热电偶的选择

作为热处理供应商，应恰当地选择热电偶并正确使用。恰当的选择和维护用于获取并连续测量过程变量的热电偶，对于成功的过程控制至关重要。热电偶的使用过程最常见的误解是将两条导线连接到一起都能制成同样有效的温度热电偶，实际上这并不简单，这需要考虑从材料类型到供应商的质量等几个重要因素[6]。

选择正确的热电偶，可从以下几个方面考虑：热电偶接触到的最高以及最低温度、炉内气氛、工艺规范以及所允许的误差、测量过程预计持续的时间、采购成本、使用者是否有管理热电偶的经验等。

例如，如果热电偶长期用于过程监控和控制，就需要有比定期使用的负载热电偶更好的机械和腐朽保护。负载热电偶价格更低，也有足够的柔韧度可以插入炉内，但是其使用寿命往往较短。如果热电偶的使用者经验有限，或者不能经常对其进行维护，那么最好选用更稳健、具备更好保护的热电偶系统等[7]。

2.6 热电偶的重复使用要求

2.6.1 通用要求

除绝缘材料、导线，包括热端均完好无损，否则不得重新使用任何热电偶[8]。

热电偶的重新使用，需满足表4的要求。

2.6.2 对负载热电偶的要求

1)可使用易耗性型贱金属负载热电偶

(1)在低于500.0 ℉或260.0 ℃使用时，第一次使用后3个月内不限制使用次数。

(2)在500.0 ℉～1 200.0 ℉或260.0～650.0 ℃，M、T、K和E型应限制在3个月或5次使用，以先到者为准，在1 200.0 ℉或650.0 ℃以上的仅限使用一次。

(3)在500.0～1 200.0 ℉或260.0～650.0 ℃，J型和N型应限制在3个月或10次使用，以先到者为准，在1 200.0 ℉或650.0 ℃以上的仅限使用一次。

2)非易耗性贱金属负载热电偶的使用寿命应受第一次使用以来的最大合格工作温度和日历天数的限制。

应保持累计负载热电偶使用记录，包括热电偶批号、负载周期、温度和使用次数。使用次数应包括在SAT和TUS期间的使用。最大更换间隔或使用次数，以首次使用非易耗性贱金属负载热电偶后最先出现的为准，应符合表5。

表5 非易耗性贱金属负载热电偶使用温度、间隔或用途

3 不符合项产生的原因及解决方法

在Nadcap热处理高温测量中，与热电偶的相关不符合项主要包括：

(1)热电偶的校验温度未涵盖整个使用温度范围，温度间隔不符合间隔不超过140 ℃的要求。

(2)热电偶的使用、重复校验间隔、校验精度等不满足要求。

(3)在500.0 ℉或260.0 ℃以上使用E、K分度热电偶，插入深度不满足应等于任何以前使用的插入深度或比其深的要求。

(4)修正系数的引用，使用最高校准温度之上和最低校准温度之下的校准修正系数外推法。

(5)校准报告不符合标准规定的相关信息，存在缺漏项目。

产生上述不符合项的根本原因在于热处理供应商对热电偶的认识不足、分类不清、功能与用途不了解造成的。针对上述问题，热处理供应商应充分了解热电偶的分类、用途，根据相应热电偶的特性，选择合适分度合适封装材料的热电偶，使用过程与校准实施，应严格按照AMS2750的要求执行。具体的解决方法可参考下列方法：

(1)热处理供应商应针对不同使用温度范围、不同用途的热电偶，建立相应的管理台账，注明热电偶检测温度范围与有效期。为方便现场测试人员使用，建议可将试验点温度间隔设置为100 ℃。

(2)针对热电偶校验，建立相应的控制文件，规定使用要求，将涉及的热电偶校验间隔与精度进行细化，与热电偶管理台账对应。

(3)由于E型或K型热电偶在500 ℉ (260 ℃)以上重复使用插入深度应等于任何以前使用的插入深度或比其深，需要更多的记录进行证明，工作量增加且容易疏漏，在此建议使用N分度热电偶替代。若使用E型或K型热电偶，则必须在相应的文件中明确要求并严格执行。

(4)建立热电偶计量校准证书评审程序，将AMS2750的相关要求逐条明确，对校准完成后的校准证书与控制要求进行逐条确认。

4 结 语

本文以热电偶为研究对象，深入论述了热电偶的工作原理、校准规范要求、热电偶的分类、精度要求、热电偶的选择、重复使用要求，在此基础上，结合企业实际的认证过程与使用经验，总结了Nadcap认证过程中针对热电偶内容的不符合项产生的原因及解决方法。为Nadcap认证的热处理供应商及Nadcap热处理高温测量技术人员提供了高效的方法指导。