探讨在线测量磁性材料烧结炉温

程俊峰

摘要：磁性材料生产过程中的一个关键参数是烧结温度。其准确性和一致性对产品的质量控制有着直接影响，因此烧结温度的测量显得至关重要。对于磁性材料相关产品在烧结炉烧结过程中，烧结炉内温度使用热电偶的测量。本文开始探讨了热电偶温度测量的误差，随后重点探讨了影响温度测量精度的影响因子，如温度补偿和基准端的校正方法。关于热电偶在线测温的实践过程中的一些问题虽然看起来似乎简单，但目前还没有有效解决的办法，已成为制约磁性材料质量稳定和提高的天花板。希望本文能为磁性材料制造商提高烧结温度测量精度和产品质量控制做出借鉴和指导。

关键词：磁性材料产品；烧结炉温；热电偶；在线测量

0引言

当磁性材料在真空烧结炉内烧结时，主要利用电热辐射来进行加热，会使用大量的电力资源。并且，受限于炉膛内产品的位置，热辐射传递的距离不一致导致炉膛内温度存在偏差，不能准确控制炉膛内的温度，也不能准确调整炉温。在烧结过程中，炉膛内温度会在40-50度之间波动，也正因此造成大量废品和不合格产品，只有大约80%的产品为正品并且其质量也存在偏差，这使得在高端磁性材料制造上，对烧结炉温的一致性提出了极高的要求。如何实现炉内温度的实时监测，本文对炉温在线测量技术进行了探讨，希望能为其他研究者在控制炉温的研究上提供参考。

1热电偶在线测温误差

热电偶在线测温误差的影响因素很多。温度测量范围、生产工艺、热电偶结构和热交换条件的不同都可能会对温度测量误差产生显著影响。主要差值包括热电偶基本差值、补偿器校正误差、补偿导线误差、基准温度测量误差、二次仪表基本差值等。在磁性产品的原料烧结过程中，有效控制烧结温度的重要前提是准确测量炉温。这对提高产量、稳定产品品质、节能降耗意义非凡。

热电偶是一个闭环，由两个不同组件的导体组成。当热电偶的两极存有温度变化时，就会生成电路电流，并在两端之间生成热电势。当材料均匀时，热电偶生成的热电势和热电偶的长度以及直径大小没有关系，产生的热电势只与热电偶的成分和其两极的温度差值有关。

2参考端温度补偿及修正方法

热电偶产生的热电势与它的材料和工作端温度密切相关。为了在0摄氏度得到参比端，常用实验室方法是采用冰浴法。对于真空烧结炉普遍在生产车间内部存放，热电偶在线测量时安装在生产设备上。参考端的温度通常不是0摄氏度并且高于0°C，稳定性差，这将降低电势差和测量的温度表现为偏低。为了减少温度测量误差，应在热电偶温度测量参考端采取必要的补偿办法。

2.1热电势修正法

对于I级K类热电偶，参考端温度为30摄氏度，热电势在未经任何补偿措施测量的值为e(t，t0)=43.978毫伏。通过检查K类热电偶的温标获得的温度是1070摄氏度。因为参考端温度是t0为30摄氏度，所以通过检查温标获得e(t0，0)=e(30，0)=1.203毫伏。补偿热电势是e(t，0)=e(t，t0)+e(t0，0)=e(t，30)+e(30，0)=43.978mv+1.203mv=45.181mv。所以，当0摄氏度不是参考温度时，只要参考温度已知，就可以借用查表的方式获得热电偶测量端的真实温度。

2.2调整零点修正法

热电偶参考端的温度补偿和校正通常由辅助仪器进行。由于指示值对应于仪器校准或校准过程中的e(t，0)热电势，如果在开环测量电路的条件下仪器的零点位置被调整到t0，就相当于将电势e(t，0)加到二次级仪表上。当温度测量的测量周期结束时，热电势e(t，t0)通过热电偶输入叠加在e(t0，0)上，总和大约等于e(t，0)，温度二次仪表显示数值与实际温度相似。因此，可以通过调整辅助仪器的零位来补偿基准端。调整一些二次仪表的零位后，可能会对其他测量点和完整性产生一定的影响。此时，通常需要调整零点位置，并结合仪表多次调整，以获得更好的补偿。

2.3补偿导线的应用

补偿线不具有补偿功能，因为它仅用于扩展热电偶参考端。这是中温规律的一个具体应用实例。就补偿导线本身而言，它不能使参考端温度变化对精确温度测量的不利影响消除。所以一定要结合其他校正方法使补偿导线和仪器交接处的温度校正至0摄氏度。此时，原始参考端温度变化才能不对由其产生的热电势造成影响。所以“补偿线”的方法措施更合适的名字应称为“热电偶冷端延长线”，以避免误解。

3数字温度指示调节仪

温度显示数字调节器将温度信号换算为数字温度值，并控制加热电源以调节被测对象的温度。当测量温度低、输出热电势小、在线测试过程的电磁兼容环境条件差时，就要提出更高的要求对二次仪表的抗干扰措施，否则对二次仪表的测量值会起伏不定。当温度较低情况下检测时，参考端温度和环境温度的变化引起的相对误差非常大，不容易得到良好的误差补偿。

4其他影响温度测量准确性的因素

4.1热传导

由于热电偶温度测量属于无障碍测量，当被测量的介质被铠装热电偶插入时，铠装热电偶从被测介质中获得热量以提高自身温度。同时，它通过热辐射和热传导将热量辐射到较低温度的地方。当被测端失去热量等于吸收的热量时，热电偶此时的温度表现稳定，但此时获得的测量端的温度并不意味着它与待测介质的温度相同。减少对流换热、辐射换热和与外部环境热传导的措施可以减少热传导的影响，使测量温度更接近实际值。

4.2热惰性

热惰性可以造成仪器的指示值滞后于被测温度的起伏，这种效应在快速测量中更加明显。因为测量值变化慢于真实值的变化，热电偶检测到的温度波动幅度小于真实值。测量结果滞后表现越明显，温度变化范围越小，实际炉膛与测量滞后之间的温差越大。因为被检测物体的温度总是随时间不断变化的，热电偶的热惯性会导致温度测量的额外误差。K类热电偶的直径与推荐的最高温度相关，偶丝应按下表选择。

4.3热辐射

由物体自身温度引起的电磁波辐射现象被称为热辐射。温度越高，辐射能越大。当一个物体向外辐射时，它也从其他物体吸收辐射能。炉腔与热电偶测量端之间的热辐射换热过程中很难实现热平衡，导致热辐射误差。在炉膛内使用深色热电偶套管是减少热辐射误差的有效方法，借此以提高热辐射和传热能力。

4.4材质不均匀性

如果热电偶由均匀的导体制成，它的热电势只取决于两端的温度。如果热电偶的材料不均匀，并且在温度梯度场中，热电偶将生成额外的变化幅度大的电势。它的大小是由沿热电电极长度的温度梯度分布、材料形状和程度的不均匀性以及热电电极在温度场中的位置所决定的。热电偶被污染和腐蚀，就会造成应力分布不均匀，电极结构发生变化。在线测量中应注意由不均匀电位引起的额外误差，这可能会对热电偶的温度测量稳定性产生严重影响。当参考端温度值表现为0摄氏度，测量端温度为表2规定的温度时，整个线圈(盘)耦合线的不均匀热电势不得超过表2规定限值。

4.5稳定性

热电偶随着时间的推移保持恒定热电性能的能力就是稳定性。如果这种性质差，热电偶的分类值会发生很大改变，测温精度也会很差。相反，热电偶的稳定性好将具有更高的温度测量精度。在某些情况下，测量误差的主要来源之一就可能是热电势的稳定性产生的。

5成套装置的测温误差

当烧结温度达到1100摄氏度时，选择二级K类热电偶。温度测量范围在-40摄氏度到1300摄氏度之间，一般补偿线和二次仪表使用精度为0.5的温控仪表。安装规范，系统运行正常。热电偶最大允许误差(T=正负0.0075t=正负0.0075*1100摄氏度=正负8.25摄氏度，最大允许误差为正负2.5摄氏度，热电偶冷端补偿器的最大允许误差为正负2.0摄氏度)，热电偶温度控制器的最大允许误差正负7摄氏度，设定点误差为正负7摄氏度和转换误差为正负3摄氏度。在实际应用中，应尽可能避免热电偶不均匀性、不稳定性、分流和热传导的影响，以避免热辐射和热惰性对在线温测结果的影响。在此基础上，用均方根法估计整个温度测量装置引入的温度测量和控制误差(δ)：

6总结

真空烧结炉的温度控制值一般根据工艺要求设定。将实验和相关技术数据结合起来，控制温度值与给定值之间总是存有相应的误差。为了使温度测量精度达到要求，热电偶和温度显示调节器必须在使用过程中定期检查，以确保它们的误差在允许的误差范围内。如果对炉温稳定性要求高，位置控制的选择不能满足炉温控制的要求，则有必要选择结合精密测量方法的高性能温度控制系统。

参考文献

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