热处理设备小秘密.docx

1、热处理设备小秘密第一章 温度的检测赛贝克效应当AB两种不同金属组成闭合回路，且两接触点具有不同温度时，回路中就有电流产生，因而产生电动势。这是一种由热能转变成电能的现象，称为塞贝克效应。塞贝克电动势的大小和方向决定于回路中两接触点的温度差和导体材料当电流流过两种金属时，接触点将吸热或放热。在两种金属组成的闭合回路中，如果电流的方向与塞贝克效应的电流方向一致，热接触点（温度高的一端）将吸热，冷接触点（温度低的一端）将放热。电流方向相反，则吸热、放热接点改变。单位时间内接点吸收的热量与电流成正比：当电流通过一个具有温度梯度的导体时，整个导体上有吸、放热现象。如果电流方向与温度梯度方向（温度升高方向

2、）一致，就吸热，反之，则放热。单位时间内、单位长度导体所吸热的热量与电流及温度梯度成正比：若金属A和B的另一端也相互连接在一起，形成闭合回路，且两接触面的温度分别为T和T0，所形成的闭合回路内总的电势。只要两种导体自身均匀，热电势只取决于接点的温度，中间温度对回路的热电势没有影响。由于绝对温度T和摄氏温度t之间只差一个常数273.15，故式（17）也可改写为若恒定某一端的温度不变（例如t0=0），其热电势仅是另一端温度t的函数，即：从理论上讲，任何两种导体或半导体材料，都可以组成一支热电偶。但实际应用的却只有数种热电偶。这是因为对热电偶有如下要求：1热电特性稳定，即在长期使用过程中热电势变化较

3、小。2大的热电势，热电势与温度最好呈线性关系。热电偶的热电势大，则对显示仪表的灵敏度要求低，相应地提高了测温精度。热电偶与温度呈线性关系，则所配用的显示仪表就有可能作均匀刻度。3耐热性、抗氧化性、抗还原性和抗腐蚀性好，这样才能在高温下可靠地工作。4复制性好，即不同熔炼炉号的热电偶丝，热电势与温度的关系，要保持不变或在较小范围内变化。5工艺性能和焊接性能好。常用热电偶1铂铑铂热电偶 它是一种贵金属热电偶，其热电性稳定，抗氧化性能好，宜在氧化性、中性气氛及真空中使用。常用来测量1000以上的温度。这种热电偶价格较贵，热电势小，E(1600，0)16.688mV，需配灵敏度较高的显示仪表。它不宜在还

4、原性气氛中使用，易受碳微粒、CO、H2、S、Si等气氛和蒸汽所污染而变质（质变脆折断和热电特性改变）。 2铂铑铂铑热电偶 它比铂铑10铂热电偶的热电特性更稳定，测量温度更高，长期使用的温度最高可达1600。它的热电势较小，E(1600，0)11.268mV。这种热电偶在室温下的热电势很小（25时为2V，50时为3V），故在使用时一般不需要对冷端温度进行补正。3镍铬镍硅热电偶 它在500以下可以在还原性、中性和氧化性气氛中使用，在500以上，只能在氧化性和中性气氛中使用。镍铬镍硅热电偶的热电势比铂铑铂热电偶的热电势高45倍，而且，温度和热电势的关系近似为线性。这种热电偶在热处理车间的中温炉（60

5、01000）得到广泛的应用。4镍铬考铜热电偶 这种热电偶的热电势相当大，约为6070V。与镍铬镍硅热电偶相比，这种热电偶含镍较少，价格低廉，由于负极考铜在高温下易氧化变质，其长期使用温度仅为600，短期使用温度为800，这种热电偶在热处理车间低温炉（600以下）得到广泛使用。5铁康铜热电偶 这种热电偶，热电势大宜在还原性气氛中使用，价格便宜，但易氧化。除了上述已标准化的热电偶外，还有一些非标准化热电偶，例如：钨铼系热电偶，这种热电偶可以在真空、氢气和惰性气氛中使用，可用来测高达2800的高温。铱铑系热电偶，它可以在真空、氢气和氧化气氛中使用，可以测高达2000的温度。热电偶的结构1. 普通型热

6、电偶(1）热电极 贵金属热电偶的热电极直径一般为0.350.65mm，普通金属热电偶的热电极直径一般为0.53.2mm，热电极的长度由安装条件（插入温度场的深度和炉外预留长度）而定。一般为2503000mm之间。2）绝缘管（或称绝缘子）热电偶的绝缘管主要用于热电极之间绝缘，以防止热电势因短路而损失。3）保护管 为了避免热电极与被测空间的介质起物理和化学作用，以及机械损伤2铠装热电偶铠装热电偶是将热电极、绝缘材料和金属保护管三者组合加工成一整体。动态响应快、测量端热容量小、绕性好，耐高温热电偶温度计算公式为了使热电偶的冷端温度保持恒定，当然可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测温仪表一

7、起放置在恒温或温度波动较小的地方，使冷端免受工作端和周围环境温度波动的影响，但这种方法要耗费许多贵重的金属，在实际应用中不宜采用。一般使用一种导体（称补偿导线）将热电偶的冷端延伸出来，这种导线要求在一定温度范围（0100）内具有和所连接热电偶相同的热电性能，且其材料又是价廉的金属。（三）温度修正方法 冰浴法电桥补偿法使用热电偶时，因注意以下事项： 热电偶应选择合适的安装点，由于热电偶所测的温度只是热电偶热端周围小范围的温度，因此，应将热电偶安装在温度较均匀且代表工件温度的地方。 热电偶的安装尽可能避开磁场和电场，如在盐浴炉中热电偶不应靠近电极，以免产生附加干扰。 热电偶的接线盒不应靠近炉壁，以

8、免冷端温度过高。一般使接线盒距炉壁约200mm。 热电偶插入炉壁深度一般不小于热电偶保护管外径的810倍，热电偶的热端尽可能靠近被加热工件，但须保证装卸工件时不损坏热电偶。 热电偶尽可能保持垂直使用，以避免保护管在高温下变形。若需水平使用时，插入深度不应大于500mm。露出部分应采用架子托牢，使用一段时间后，将其旋转180。 热电偶在使用中，必须定期到计量部门进行校验，以保证测温的准确性。 在低温测量中，为减少热电偶的热惯性，常采用保护管端头不封闭或不用保护管。 用热电偶测量反射炉、煤气炉和油炉温度时，应避开火焰的直接喷射，因火焰喷出处的温度比炉内高而且不稳定。 热电阻热电阻是根据导体或半导体

9、的电阻值随物体温度变化而变化的性质，用来测量物体温度的。根据电阻值随温度变化的情况不同，测温元件可分为热电阻和热敏电阻两类。前者材料为导体（即金属导体），它的电阻值随温度的升高而增大；后者材料为半导体，它的电阻值随温度升高而减小。热电阻阻值与温度之间的关系一般用下式表示。不同的热电阻，在不同的温度范围内，对该式的简化形式不同。热敏电阻和金属导体的热电阻不同，它属于半导体。半导体热敏电阻的材料通常是铁、铜、镍、锰、镁、钴、钛等的氧化物，也可以根据技术要求，选其中的几种，按一定的比例混合后进行研磨，掺入一定的粘合剂成形。经高温烧结成元件。半导体材料电阻率远比金属材料大得多，故热敏电阻的具有很大电阻

10、值，其R0通常为102103欧姆范围，可做成体积小而电阻值大的电阻元件。这种电阻元件的热惯性小，可作为点温度或表面温度以及快速变化温度的测量。缺点是温度测量范围较窄，特别是在制造时对电阻与温度关系特性的一致性很难控制，使得元件的互换性差在热加工过程中，热电阻主要用200-190之间温度检测，例如冷处理过程的温度测量。使用应注意以下几点：1热电阻时应注意线路电阻的影响，因为线路电阻的任何变化都会影响温度测量精度。在使用热电阻时，应量准导线电阻，再对绕制线路调准电阻，使得导线电阻加调整电阻的总和应等于仪表所要求的外接总的电阻值（5或15）2根据测温范围、被侧温度场的气氛以及经济效果合理选用热电阻的

11、规格型号。测量变化的温度场时，要选用热惯性小的热电阻。对于铂电阻感温元件，应避免在还原性气氛中使用。3热电阻的电流所产生的自热效应，也会引起温度测量的附加误差。它与电流大小和传热介质有关。我国工业上使用的热电阻限制电流一般不超过6mA。4热电阻在使用过程中，因避免被测温度场以外的辐射源的热辐射影响。还应经常注意热电阻感温元件与保护管之间的绝缘。绝缘不好不仅带来测温上的误差，甚至会使仪表无法工作。5电阻的安装地点应避开炉门或环境温度较高的地方。接线盒处的环境温度不宜超过100，并要求环境温度保持稳定。热电阻插入深度可按实际需要决定。但至少应不小于热电阻保护管外径的810倍。高温测量时尽可能垂直安

12、装，以避免高温下弯曲变形。动圈式仪表，依其所配感温元件的不同，可分为毫伏计式（配热电偶）和不平衡电桥式（配热电阻）两大类。两类仪表都有指示型和调节型。XCZ 指示型 仅能测量和指示温度XCT 调节型 除了可测量指示温度外，具有调节温度的功能这类仪表的精度均为1%，虽然精度不高，但其结构简单，量程较宽，价格低，在热处理车间得到较广泛的应用正比于流过动圈的电流I，即正比于热电偶的热电势Et(t,t0)Rz 为测量电路总电阻； C为表征仪表灵敏度的仪表系数，它与动圈的几何尺寸、磁感应强度以及张丝弹性模数有关。上式表明电动势越大，动圈的偏转角也就越大，指针指出的北侧温度也就越高。动圈仪表的刻度盘一般都

13、把热电势换算成温度。由于不同分度号的热电偶的温度与热电势之间的换算关系不同，因此，一种规格的仪表与一种分度号的热电偶相匹配。仪表刻度盘上均仪标注有热电偶的分度号。Ri为内阻；包括：量程电阻Rm，温度补偿电阻Rt1和R1，动圈电阻Rd。R0为外阻；包括：热电偶电阻Rw，连接导线电阻Rt，外界电阻R。为了保证示值与热电偶的热电势成正比，必须保证Ri和R0均为常数。测量电路Rm量程电阻（2001000 ） 一般采用温度系数小的锰铜丝制作。 Rt1 是负温度系数的热敏电阻（20时为68），它的热惯性与动圈电阻相当，它与R1（锰铜丝制作；50）并联后可较好地补偿动圈电阻Rd的变化。为了保证外界电阻为常数

14、，采用外接界电阻为一定值的方法（15），仪表出厂时附加一个外界电阻，阻值为15，用锰铜丝制作。工作原理： 测量指针上的附着的小铝旗和T1射极回路上的LC组成的偏差检测机构，检测机构线圈在定温针上，它是由约1212mm的方形印刷线圈串联而成，两线圈间有34mm间隙，小铝旗可以自由通过，当加热炉的温度低于给定值时，指示针上的小铝旗在检测线圈之外，此时振荡器产生高频振荡，输出的高频信号经检波放大后输出2025mA的直流电流，驱动继电器工作，继电器吸合，使加热炉通电。当加热炉的温度到达给定值时，指示针与定温针重合，指示针上的小铝旗进入两振荡线圈的间隙之间，使电感量减小，振荡器停振，直流放大器输出电流减

15、少到继电器释放电流以下，继电器断开，加热炉断电。断偶保护配有热电偶的动圈式仪表，在生产实际中很有可能产生热电偶回路断线问题，当热断偶回路断线时，表头动圈无电流流过，无温度指示、温度控制失灵。最终可能造成“跑温”。断偶保护电路原理：动圈式仪表的调校与使用一、调整机械零点调试机械零点 主要检查指针在零点移动的范围，要求机械零点能在刻度起点左2mm到偏右12mm范围内调整。仪表平衡的校验 将仪表置于规定的工作位置，并给仪表输入一个直流毫伏信号，使指针指示某一刻度（一般为量程的10%、50%、90%）。将仪表前、后、左、右四个方向倾斜45，指针指示值的偏差不允许超过1%。若超过允许误差，说明平衡有问题

16、，可调整指针后部的燕尾平衡锤进行校正。示值检查 用电势源模拟热电偶，检查示值是否超过允许偏差，先检查满刻度，然后逐点检查。如有超差，可调整磁分路片和量程电阻值。断偶保护作用检查 仪表通电后，将连接热电偶的回路断开，正常情况下，指针应向满刻度方向移动，最后指向满刻度。否则断偶保护电路失常。控制部分整机调试 主要是调整控制点和不灵敏区，要求当测量指针与给定指针上下对准时，继电器从吸合状态突跳为放开状态，不灵敏区为0.30.5mm。二、仪表使用外接电阻必须符合仪表要求 外接电阻是指热电偶、补偿导线电阻、冷端补偿电阻以及外线调整电阻的总和（一般是15，标在仪表盘上）。2机械零点的正确调整。同时使用补偿

17、导线和冷端补偿器时，机械零点调在指定的刻度（一般为20），如果使用补偿导线，则机械零点调在仪表所在处的温度值上。补偿导线不可不用。3正确接线：测量线、控制线、电源线的连接都必须正确接在仪表上，应注意补偿导线的正负极的连接。第三章 电子自动平衡指示调节仪表结构原理：当热电偶产生热电势Et送入测量电路并与测量桥路两端电压E0比较，若EtE0则产生差值E。E= E0- Et称为不平衡电势。振动变流器将E变成每秒50周的交流电压。经放大电路放大后，推动可逆电机转动，可逆电机通过机械传动机构带动测量桥路的滑动触点R朝着使E趋于零的方向滑动，若Et=E0，即E=0，电路达到平衡1. 端电压E0与滑动电阻R

18、的触点位置有关，出点位置反映了热电势Et的大小。2. 当EtE0就会破坏原来的平衡，可逆电机立即向着相应的方向转动，直到电路达到新的平衡为止。 3. 被测参数不同可用不同的变送器。可用于不同物理量的测量。目前热处理车间的电子自动平衡指示调节仪主要有XWB、XWC、XWD 和 XQB、XQC、XQD两种类型。前者系电子电位差计，配用热电偶。后者系自动平衡电桥，配用热电阻。它们的区别仅在于测量电路。图中由R4、R5、r5、R6、r6、RB、Rp等电阻串并联构成测量桥路的上支路，设计规定流过上支路的电流I1为4毫安。由RL、R2、R3串联构成测量桥路的下之路，设计规定流过下之支路的电流I2为2毫安。

19、直流电源采用稳定性较高的半导体稳压电源，RW为可调节限流电阻，使上下支路流过的电流为设计值，以保证测量精度。根据克希霍夫第二定理，测量桥路各点电压与不平衡信号电压E之间应有下列关系： (R6+r6) 称为起始电阻，亦称为下限电阻。当电路平衡时（E0），仪表指针指向刻度的下限值，B点滑向最左端，即UBD0，（R5r5）为测量范围电阻。当仪表指示上线时，B点在最右端。可见滑线电阻RP两端的电压大小代表了测量范围的大小。RP是一个线绕电阻，考虑到它的通用性和有利于批量生产。把它绕制成一种规格，与RB并联，通过选配或调整RB的数值，使其成为比较准确的电阻，一般是900.1欧。对于不同量程、不同分度好的

20、仪表，只需并联不同大小的（R5r5）就可以了。测量的范围只取决于（R5r5）的大小，所以称（R5r5）为测量范围电阻。R3和R4为下支路和上支路限流电阻，确保上下支路的电流为4mA和2mA。RL是用铜丝绕制的冷端补偿电阻，其电阻值根据测温热电偶的型号而定。因此使用电子电位差计时，如果热电偶的分度号和电子电位差计的分度号一致，则只需把热电偶直接接入或用补偿导线接入仪表，RL电阻将自动对冷端温度进行补偿。一、仪表的校验 校验所需的标准仪表的精度应高于被校仪表。 全行程时间校验 全行程时间校验是指仪表指针从标尺量程的下限移动到上限所需要的时间，一般在2.55秒。 要求指针在终点刻度附近作三个“半周期

21、”的摆动。 刻度校验 输入标准信号对仪表标尺上的主刻度进行校验，最大误差不得超过量程的0.5%二、仪表的安装 安装尽可能选择在干燥、无腐蚀气体的地方。 安装附近不应有强烈的电磁场，如大功率电动机、变压器、输电线等。 仪表周围环境尽可能在050范围内，不应靠炉子太近。 安装点应避免强烈的震动。 正确连接测量线路和控制线路，注意热电偶的类型要与仪表匹配。补偿导线的正负极与热电偶的正负极一一对应。直流电位差计（简称电位差计）是测量直流电势的一种精密仪表。直流电位差计的测量精度可达0.005级。可准确测出1微伏或更小的电压数值。在实验室或科学研究中，总是应用直流电位差计来精确测量温度，也可以用作标准的

22、直流电势源，在校验电子电位差计时，作为标准输入信号。直流电位差计按随动平衡方式工作，它采用把被测量与已知标准量比较后的差值调至零的零差测量方法图中EB是工作电源；RS是调整工作电流的电位器；EN是标准电池（电势为1.01761.0198V）；RN是校准工作电流的标准电阻；B是测量电阻；G是检流计。直流电位差计的基本线路是由工作电流回路、校准工作电流回路和测量回路三个回路组成#当开关K拨到“标准”一侧时，G、EN、RN组成校准工作回路。若设标准电池和检流计的总电阻为Ry时，其电压方程为：调整RS可改变工作回路电流I，当ENIRN，则iN=0检流计G指针指向零。此时电流I为直流电位差计所要求的工作

23、电流值。 #当开关打到“测量”一侧时，测量回路工作。回路电压方程为:式中，RG为检流计内阻，调整RAB电阻的滑动点B，使得检流计指针指零。则i=0，EtIRAB。由于I已是精确工作电流值。若将测量电阻RABC按其阻值的大小标以电势值即可直接读出被测电势E。第四章 热处理炉温的自动控制有位式调节和连续PID调节。#二位式调节过程 系统调节过程是一个稳定的持续振荡过程，波动的幅度与频率和调节不灵敏区、电炉的功率、热惯性以及热电偶的惰性等因素有关，近似正弦曲线的波动称为调节的“动差”，温度波动大约在1025。#三位式自调系统 由于二位式调节的特性可知，炉子的输入功率只能有零和额定两种极端状态。炉温的

24、波动很大，为使炉温波动得到改善，可采用三位式调节系统。三位式调节输出信号为三个状态“1”、“1/2”、“0”。而且负载为两组。当炉温低于下限给定值时，仪表内的两个电接点K1、K2均接通，中间继电器J1、J2通电，交流接触器C1、C2动作，炉温上升。当炉温等于或高于下限给定值，但低于上限给定值时，K2断开，接触器C2断电而C3动作，加热元件被换成Y形接法，电炉输入1/3额定功率， 若此时炉温仍继续上升并超过上限给定值时，则K1、K2全部断开，C1、C2、C3均释放，电炉断电。#超前位式自调系统 在热电偶回路中串联两支辅助热电偶，形成超前位自调系统。T1是由0.10.2mm热电丝 焊成的小惯性裸体

25、热电偶，T2是有套管的惰性较大的热电偶。两支热电偶反相串联后和测温热电偶串联。 H1、H2分别为T1、T2的加热灯泡，其电源是随炉子一起通、断电。电炉加热时，T1、T2分别被H1、H2加热，由于T1比T2升温快，它们产生的热电势之差E是正值（ET1ET2），使仪表接收的热电势为E+E，即指示值提前到达不灵敏上限，电炉提前断电，炉温下降。与此同时，灯泡H1、H2也断电熄灭。电炉降温过程中由于T2的热惰性远比T1的大，因此很快出现ET2ET1，使仪表接受的热电势为E-E，指示值提前下降到不灵敏区下限，使炉子提前通电。如果E选择性适当，就足以补偿各种因素所引起的炉温滞后，获得比较精确的调节效果。连续

26、PID调节的基本概念所谓PID调节是指比例调节、积分调节和微分调节为一体的调节方式。也是自适应调节中的一种。 这种调节的输出信号不再是简单的“1”和“0”两种极端状态。而是和偏差信号成比例、积分和微分的关系。 这种调节可以连续输出一定范围控制信号，通过控制可控硅调压器或调功器，改变可控硅的导通程度从而达到连续调节炉子输入功率。 这种调节方式主要优点是调节平稳、控制精度高。一、 比例调节（P）二、 比例调节的基本特性是输出信号与输入信号成比例关系，可用下式表示： KP比例系数 I调节器输出信号 调节器输入的偏差值衡量比例调节作用的范围和强弱，习惯上不使用放大倍数KP，而是用KP的倒数:P 称为调

27、节器的比例带，又叫比例范围，它表示调节起的输出电流作为满量程变化时偏差值的变化范围，由于偏差值的变化范围常用占仪表全量程的百分数表示。因此，比例带也是一个百分数。比例带越小，调节器的放大倍数越大。当比例带小于1%时，比例调节就可看成位式调节。比例调节系统的调节过程及其静差#用比例调节组成炉温自调系统，能较快地克服干扰所引起的温度波动，并且克服波动的能力还随偏差的增大而加大。#比例调节不可避免地会出现“静差” ，所谓静差是指干扰产生后，炉温恢复到稳定后的数值与给定值之间的差值。#电阻加热炉温度稳定后，在单位时间内由电热元件供给炉子的热量Qi（加热功率）必须与炉子所散失的热量Q0（消耗功率）相等。

28、加热功率取决于调节器输出电流I，而要输出一定的电流I，就必须要有一定的偏差，偏差是不可避免的。静差的大小与比例带有关，比例带越大，静差越大。 当比例带在100%、50%和20%三种情况下，若消耗功率要求调节器输出电流为5mA，静差分别为50%、25%和10%。 要克服静差，需要“再调”，解决的方法是提高给定温度。二、比例积分调节（PI）积分调节器输出信号I与输入信号的积分成正比，即：A积分速度 I调节器输出信号 调节器输入的偏差值 t时间理想积分调节的特性可以用“阶跃输入”（即t=0，=0；t0，=常数）情况下的输出来说明。当输入为一个常数时，积分等于与时间t的乘积,调节器输出I与时间t成比例

29、增加，只要偏差存在，积分作用就不断进行，直到输出电流变化到最大值为止。 输出电流的变化方向由偏差正负决定，只有当偏差等于零，调节器的积分作用才停止，进入稳定状态。实际上，积分调节很少单独使用，一般都是与比例调节结合构成比例积分调节。当温度有偏差时，比例首先其作用，而积分调节按一定的速度进行积分，使输出按同一方向等速上升。随着输出功率的增加，温度偏差逐渐减小，当温度偏差等于零时，比例调节输出为零，积分调节停止变化，这时的输出为积分值，应能使炉子保持热平衡。三、比例积分微分调节（PID）比例积分调节系统，可以将被调节量的静差减到很小，但由于积分作用的输出是随时间的增加而逐渐增加的。所以不能迅速克服

30、干扰对被测量的影响。对于热惯性大的炉子，当调节器感受的偏差时，干扰已经作用力一段时间，如果只有比例积分调节，势必在偏差发展的较大值时才能产生较强的作用。这样会延长调节时间比例积分微分调节的特性（PID）由ID的表达式可以看出，微分作用的输出与偏差变化速度以及微分时间TD的长短成正比，偏差变化速度越大微分时间越长，微分作用输出就越大。#微分作用应用到温度自调节系统时，如果生产过程中由于干扰而使炉温突然而又剧烈地偏离给定值，就可以产生一个较大的微分输出。快速消除偏差。#如果炉温与给定值虽然存在偏差，但不变化（静差），那么不管这个偏差多大，也不管偏差持续的时间有多长都不能有微分作用输出。#微分调节对

31、动差具有强烈有力的调节作用，对静差却无能为力。第五章 热处理炉温测试技术51 幅射测温辐射测温是一种非接触式测温，在测温过程中测温探头不必与被测对象发生热接触，也不必与被测对象达到热平衡。1黑体在特定的波长上的辐射强度是温度的函数。2当温度一定时，单色辐射强度随波长的变化而变化，存在一个单色辐射强度的最大值。维恩移动定律指出，峰值M（，T）对应的波长m与温度T的乘积是一个常数当温度升高时，M（，T）向波长减小的方向移动，如果测出绝对黑体单色辐射强度的最大值及所对应的波长，就可算出绝对黑体的温度T。3.绝对黑体的总辐射强度与表面温度之间的关系，满足斯忒藩波尔茨曼定律，对普朗克公式，在整个波长范围内积分：黑体在整个波长范围内的辐射强度与温度的四次方成正比，是温度的单一函数。4当波长等于常数时，M(,T)仅是温度的函数。温度越高， M(,T)的变化速率越快，不同的波长下， M(,T) 随温度的变化的速率不同。波长越短， M(,T) 随温度的变化速率越大。取两个不同波