摘要：对于测量条件恶劣、不能用常规传感器实现的特殊的高温场合，如高温强腐蚀性介质、高温熔体的温度测量，必须开发特种专用传感器。本文阐述了钨铼热电偶等特种温度传感器的特点、性能及应用，着重探讨了当前测温领域热点话题：铝液、铜液等高温熔体连续测温；高温渗碳等强还原性气氛下的温度测量；流化床等流动粉体等高温磨损条件下的高温测量技术等。详细论述了当前冶金及耐火炉窑用测温系统采用分立元件法检定的弊端及对策，倡导采用现场在线整体校准法，进一步提高测温精度。实践证明，新开发的特殊场合下专用温度传感器，不仅与国际接轨，替代进口产品，而且还可以打入国际市场。
关键词：高温测量；校准；钨铼热电偶；高温熔体；流化床
1. 引言
温度是一个重要的物理量，也是工业生产过程中主要工艺参数。现有的温度传感器，主要用于一般场合的温度测量。而特殊场合下的高温测量是指那些条件恶劣，不能用常规传感器实现的温度测量，如高温强腐蚀气体、高温熔体及流动粉体的温度测量。本文只能针对当前高温领域热点话题进行探讨。
2. 特种温度传感器
2.1镍铬硅—镍硅镁热电偶（分度号为N）
N型与K型热电偶性能在600~1050℃范围内，两者几乎无差异，但在-243~+1300℃的温度范围内，N型热电偶有如下特点：
- 在1300℃以下，高温抗氧化能力强；
- 热电势的长期稳定性及短期热循环的复现性好；
- 耐热辐射能力强，耐低温性能也好。
由于N型热电偶具有以上特点，因此有可能全面替代其他廉金属热电偶，并有部分取代S型热电偶的趋势。其应用范围正在逐渐扩大。目前，进口设备中，尤其是1300℃以下的高温炉窑，多采用N型热电偶。
2. 2 钨铼热电偶
钨铼热电偶是伴随高温测量技术的发展而发展起来的，它具有熔点高、热电动势大、灵敏度高、价格便宜等优点。
WRe合金的熔点在3000℃以上，但是，高温下铼的挥发却很严重，致使热电偶的热电动势不稳定。而且高温下钨丝变脆，故钨铼热电偶的使用温度限制在2300℃以下。
因WRe合金极易氧化，故不能在空气及其它氧化性气氛中应用。适合于还原、惰性、真空、核辐射等环境的高温测量。
国产钨铼热电偶不仅标准与国际接轨，而且钨铼热电偶的热电性能也已达到美国HOSKINS公司同类产品水平。作者长期致力于国产钨铼热电偶的推广应用，潜心研究钨铼热电偶的长期稳定性，并且已批量用于工业炉窑的温度测量。钨铼热电偶的用户在逐年增加，相信伴随高温领域测温技术的发展，一定会有更大的发展。
作者开发的抗氧化钨铼热电偶（已获得国家专利），既可用于氧化、还原气氛，又可在两者交替气氛中使用。自1992年起先后在营口三征化工厂、攀钢、塞尔公司、北京华翔工业炉、泰国、卢森堡等国的冶金、真空炉应用。结果表明：钨铼热电偶的使用寿命与铂铑系热电偶相当，而价格仅为铂铑的一半。日本、美国的抗氧化钨铼热电偶，主要用于煤气化炉或硫回收装置等恶劣环境。法国正在探讨在耐火材料行业中应用。
3. 高温测量技术
3.1 高温气体温度连续测量
1）连续渗碳炉用特种实体热电偶
瓦房店轴承厂由美国引进的辐射加热渗碳炉，用于车辆轴承渗碳。工艺温度为930±5℃。过去存在的问题是国产热电偶腐蚀严重，偏差大，寿命短（仅1~2周）。自1994年起，采用作者研制的实体热电偶。平均使用寿命在12个月以上。继瓦轴以后，中国“一汽”、“二汽”、易普森工业炉等也相继采用此种实体热电偶。实践结果同样可以证明，使用寿命在1年以上，成功的实现了进口传感器国产化。
2）热风炉顶温度测量
钢铁厂的热风炉炉顶，不仅温度高而且变化激烈。为了防止热风炉炉顶烧塌，必须在线监测炉顶温度。
热电偶保护管通常采用高铝或刚玉管。铂铑热电偶的使用寿命在60天左右。作者采用耐热合金管，使用寿命达300天。
宝钢、鞍钢等大型热风炉的温度大于1300℃，热电偶保护管不能采用金属与合金管，只能采用SiC等非金属保护管。上海宝钢一直采用日本山里公司生产的热电偶。这种反应烧结的SiC保护管的特点是高温强度高，气密性好（≤9%）。目前其它钢厂采用的SiC管为再结晶SiC管，气孔率很高（25%~30%），强度低。因此，在热风炉上应用效果不好。
3.2 高温熔体连续测量
1）铝液及铝电解质的连续测温
铝液连续测温用保护管有金属、Si3N4及Sialon等。金属管的强度高，但寿命短；Si3N4管耐腐蚀但强度低；Sialon材料在性能上较理想，然而价格昂贵。作者研制的MPT-1型合金管、K型铠装热电偶构成的连续测温传感器，用于贵州铝厂从意大利引进的铝轧生产线，连续使用寿命超过4个月，与引进温度传感器的寿命相当，而且，价格便宜，已在国内推广应用，具有广阔的前景。
铝电解槽内电解质温度的连续测温，对铝电解生产至关重要，但到目前为止，国内外尚未找到适合的耐腐蚀材料，美国研制的保护管，使用寿命只有72 h。作者开发的MPT-2型合金管在抚铝、包铝进行工业实验，其寿命均超过400h，近期可望达到720h。
2）铝电解液间断测温技术——便携式浸入型测温仪
作者与抚顺铝厂联合开发的浸入型测温仪。它是由热电偶、保护管及显示仪表构成的。已成功的用于铝冶金及加工行业氟化物电解液及铝液温度测量。该种测温仪的研制成功填补了国内空白，博得用户好评，1995年获有色总公司科技进步奖。现已在抚顺铝厂、长城铝业、山东铝业、新疆众和铝业等几十家铝厂推广应用。
①特点
a. 测枪及显示仪表一体化，温度数码显示，直观且准确，并有峰值保持功能；
b. 保护管耐腐蚀，使用寿命长（100～500次），测温费用低；
c. 结构简单，热电偶及保护管均可更换；
d. 测量精度高，测温仪经整体检定后，精度可达0.2%t。
②技术指标
a. 3 1/2位数码显示；b. 准确度0.5%t；c. 使用温度范围0～1200℃；
d. 重量约1Kg；e. 电池供电；f. 保护管规格Φ12～16×300㎜；
g. 热电偶为K型铠装热电偶，规格为Φ6～8；h. 测枪长度为1000～3000㎜。
③结构
a.Ⅰ型热电偶，测枪一体化，不可拆卸；
b.Ⅱ型显示仪表与测枪形成一体，保护管可更换；
c.Ⅲ型保护管、枪体采用分解组合式，热电偶及保护管均可更换。
3）铜液连续测温
关于铜冶金过程中熔体连续测温用传感器，目前仍在研究。对于铜加工行业中铜液连续测温，作者采用金属陶瓷保护管，内插高性能热电偶（K型），制成实体热电偶。自1995年以来，经现场使用证明具有如下优点：耐高温，使用寿命长（在1000h以上）；热电性能稳定；响应速度快，安全可靠。
对于沈阳造币厂从意大利及英国引进的铜连轧生产线，原设备所带的铜水连续测温用热电偶为S型，采用金属陶瓷，改用作者开发的金属陶瓷保护管。多年的实践结果表明。使用寿命与引进设备的热电偶相当，可与炉衬同寿。
3.3 高温流动粉体温度测量
对于输煤系统、流化床、水泥熟料及耐火材料等流动粉体的温度测量，尤其是对增压流化床（PFB）的床温测量。由于流动粉体对保护管磨损及腐蚀均很严重，因此一直是高温测试领域中富于挑战性课题之一。
对于使用温度低于500℃的流动粉体，可采用高强钢或表面改性技术，喷涂WC或Ni-Cr-Si-B，其硬度可达到60~70（HRC）。如果常用温度在1000℃左右，可采用钴基合金保护管（商品名为UMCO50），该种保护管具有优异的耐热冲击、耐磨性能及高温强度，对硫化物及钒具有良好的耐蚀性能，但价格昂贵。为降低成本，作者采用耐磨合金（HR1230或3160）保护管，使用结果表明：在温度为1000℃的情况下，使用寿命＞1400 h。除此之外，还有人在保护管的形状上下功夫，有助于延长使用寿命。
4. 工业炉窑温度测量系统的校准
为了提高产品质量，增强竞争能力，确保优质高效生产，对测温精度的要求越来越高。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检定是十分必要的。当前，国内仅有热电偶、补偿导线及仪表各自的检定规程，没有热电偶高温计等测温系统的检定规程。因此，对于测温系统的检定，只能采用分立元件法，即对构成测温系统的元件及仪表分别进行检定。此种检定方法是离线的，而且，不能对测温系统进行在线整体检定。因此，作者有针对性开发出便携式在线校准仪用于工业炉窑在线整体校准。
4.1 测温系统的分立元件法检定与整体在线校准法
4.1.1分立元件法检定存在弊端
测温系统的校准有如下2种方式：分立元件法检定与整体校准法。依据国家标准，热电偶的检定，应在计量室进行。因此，使用中热电偶必须从安装位置上取下来，送计量部门检定。经计量室检定合格的热电偶，在现场使用条件下通常是合格的，但是有时在现场使用却不合格。这种现象鲜为人知，未引起人们重视。
4.1.2分立元件法检定与整体校准
（1）分立元件法检定
对于测温系统的校准，通常采用分立元件法检定，即分别对热电偶、补偿导线及仪表进行检定，测温系统的误差为：
△ε= （1）
其中△1为热电偶的极限误差；
△2为补偿导线的极限误差；
△3为仪表的极限误差。
如果采用K型热电偶，精度为Ⅱ级，取温度点为1000℃，误差为±7.5℃，补偿导线为B级，误差为±2.5℃，记录仪与数显仪表的精度为0.5级，在1000下误差为±5℃。将上述各误差代入（1）式，
△ε=± = ± =±9.35℃
综上所述，如采用分立元件法检定工业炉窑测温系统的误差约为±9.35℃，无法满足工艺要求。如果购入的热电偶不检定就直接使用，分散性更大，所测数据不可靠。不能用于指导生产。
（2）整体校准法
整体校准法的优点
①校准精度高
作者开发的便携式在线校准仪，其整体校准精度在0.4级以内，部分达到0.2级。由此可以看出整体校准法远远优于分立元件法检定。依据误差理论，只有采用作者研制的现场校准仪，才有可能满足Ⅱ类工业炉窑保温精度为±5℃的要求。因此，该种校准仪颇受用户欢迎。
②按用户要求校准特定的温度点，可进一步提高校准精度。
③整体校准的系统误差可以修正。
通过对工业炉窑温度测量系统精度分析表明，现行的测温系统尚不能满足工艺要求，建议采用整体检定或现场校准法以提高测温系统精度，更好地满足工业炉窑对测温精度的要求
4.1.3便携式在线校准仪
（1）便携式在线校准仪的研制
目前市场上流行的数字温度计精度低，不能作标准。作为校准仪，不仅准确度要高，而且必须经计量部门校准，并带有校准证书。便携式在线温度校准仪是由特种热电偶保护管，铠装热电偶（K型），枪体及数显仪表组成，其特点是：使用寿命长，准确度高。通过对元件及仪表进行精选，达到最佳组合。
①选取Ⅰ级K型铠装热电偶，并尽可能接近标准值；
②选取精密级延伸型补偿导线；
③选取高精度数显仪表，在0～1300℃内达0.2级或0.5级。
校准仪经辽宁省计量科学研究院校准，其准确度均在0.4级（或0.2级）以内才能出厂。
（2）便携式在线校准仪的应用
自2002年起作者开发出近50台校准仪已在石家庄热处理研究所、沈阳重型机械厂、青海铝厂及香港伟兴铸造厂等十几家企业应用。基本上能满足现场校准要求，其用户在与日俱增。
5. 结语
由上述讨论可以看出，以热电偶为传感器的测温系统，看起来很简单，但是要测量准确却不容易。从精确生产及优质高效的战略出发，必须严格选择传感器、测温系统及正确校准。只有这样才有可能保证产品质量，提高竞争能力。针对高温、还原等高温强腐蚀场合下,急需解决的温度传感器,作者开发出真空炉专用热电偶、复合管型实体热电偶、铝液与铜水连续测温用热电偶,在引进的真空炉、连续渗碳炉、铝、铜连轧生产线上应用,取得了良好的效果,博得用户好评。多年来的实践证明,中国科技工作者不仅可以使进口的温度传感器国产化,节约大量外汇,并能打进国际市场
