“工業鎢錸熱電偶技術條件”新標準的編制與簡介

王魁漢，李明華

（1.沈陽東大傳感技術有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233）

“工業鎢錸熱電偶技術條件”新標準的編制與簡介

王魁漢1，李明華2

（1.沈陽東大傳感技術有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233）

為了更好地貫徹執行最新實施的工業鎢錸熱電偶行業標準，簡要介紹了該標準的內容及編制過程。探討了標準中有關工業鎢錸熱電偶分類與不可拆卸性、適用溫度范圍、使用氣氛、允差、熱電動勢穩定性及高溫絕緣電阻等相關規定與技術指標。詳細論述了工業鎢錸熱電偶防氧化技術、最高檢驗溫度、維持時間及高溫絕緣電阻值的確定依據。需要注意的是，工業鎢錸熱電偶標準規定，對帶有鉬等易氧化材質保護管的工業鎢錸熱電偶，必須在真空或保護氣氛下進行校準。工業鎢錸熱電偶標準將促進我國工業鎢錸熱電偶的發展與應用。

鎢錸熱電偶；工業熱電偶；熱電動勢；使用氣氛；允差；高溫絕緣電阻

0 引言

由全國工業過程測量和控制標準化技術委員會第一分技術委員會組織制定的“工業鎢錸熱電偶技術條件”標準，經起草單位共同努力、起草人相互配合，通過大量試驗研究，對各種試驗數據反復核實、編制內容反復推敲，在認真聽取專家意見的基礎上，經過7次修改，最終形成報批稿，現已發布實施［1］。

雖然我國有鎢錸熱電偶校準規范［2］，但該規范只規定了鎢錸熱電偶熱電動勢的校準方法，并不是工業鎢錸熱電偶產品標準。有關工業鎢錸熱電偶全面技術性能要求的標準，在國內外尚未見相關報導。該標準的發布必將促進我國工業鎢錸熱電偶的發展與應用。

1 工業鎢錸熱電偶的發展

鎢錸熱電偶是在1931年由Goedecke（戈德克）首先研制成功的，在20世紀六七十年代發展成為商品化的難熔金屬熱電偶。但當時鎢錸熱電偶絲的均勻性很差，無互換性。每批鎢錸熱電偶絲的分度表皆不相同，無相應的儀表配套。為此，各國都在努力改進鎢錸熱電偶的生產工藝或開發新的工藝。直到1984年，美國率先實現鎢錸熱電偶的統一分度。繼美國之后，我國在1986年也實現了鎢錸熱電偶的統一分度，并建立了有關鎢錸熱電偶絲的國家標準［3］與校準規范，為其推廣應用奠定基礎，并促進了鎢錸熱電偶的開發與應用。

20世紀九十年代初，鉑銠熱電偶價格飛漲，而鎢錸熱電偶價格便宜，人們試圖用鎢錸熱電偶替代貴金屬鉑銠熱電偶。當時，國內開始生產鎢錸熱電偶單位有近百家。由于鎢錸熱電偶開發與應用的時間較短，人們對其性能又不甚了解，尤其是其防氧化技術更難以掌握，最后，僅有幾家繼續堅持開發研究［4-5］。

最近，隨著高溫、超高溫、宇航及尖端測溫技術的剛性需求，鎢錸熱電偶的生產廠家有所增加。我國有關鎢錸熱電偶防氧化的理論研究與生產制造技術飛速發展［6］。國內外尚無工業鎢錸熱電偶的技術規范或標準，這就阻礙了其進一步發展。為了促進國內鎢錸熱電偶的快速發展，工信部及時批復沈陽東大傳感技術有限公司的申請，同意將“工業鎢錸熱電偶技術條件”列入2011年第三批行業標準制修訂計劃。

工業鎢錸熱電偶性能對比如表1所示［7-8］。

表1 工業鎢錸熱電偶性能對比Tab.1 Comparison of industrial tungsten rhenium thermocouples

表1中：t為檢驗點溫度，℃。

2 標準適用范圍

2.1 鎢錸熱電偶分類

（1）熱電偶絲的分類。

ASTM將熱電偶分為3類：①廉金屬熱電偶；②貴金屬熱電偶；③難熔金屬熱電偶。

難熔金屬熱電偶定義為：熱電偶單極材料熔點高于1 935℃，且熱電偶的主要元素是難熔金屬或合金。鎢錸熱電偶屬于難熔金屬熱電偶。

（2）熱電偶的分類。

工業熱電偶按其整體結構分為3類。

①可拆卸工業熱電偶。

②不可拆卸工業熱電偶。

a.實體工業熱電偶。

工業鎢錸熱電偶屬于不可拆卸結構。工業鎢錸熱電偶組件不能從保護管中取出。國內多為實體化工業鎢錸熱電偶。國外多為抽空或充氣式鎢錸熱電偶，但全部為不可拆卸結構。

b.鎧裝工業熱電偶。

③柔性電纜熱電偶。

（3）工業鎢錸熱電偶分類。

工業鎢錸熱電偶由鎢錸合金熱電極、絕緣物、保護管與接線盒等組成，熱電極組件不可以從保護管中取出。

工業鎢錸熱電偶按使用環境，主要分為氧化物保護管工業鎢錸熱電偶（用于常規環境）和鉬及其他難熔金屬保護管工業鎢錸熱電偶（適用于真空、干燥H2及惰性氣氛）。

①鎢錸5-鎢錸20熱電偶。

由正極質量名義成分為95%鎢、5%錸的合金，負極質量名義成分為80%鎢、20%錸的合金組成的熱電偶為鎢錸5-鎢錸20熱電偶，分度號為A。

②鎢錸5-鎢錸26熱電偶。

由正極質量名義成分為95%鎢、5%錸的合金，負極質量名義成分為74%鎢、26%錸的合金組成的熱電偶為鎢錸5-鎢錸26熱電偶，分度號為C。

③鎢錸3-鎢錸25熱電偶。

由正極質量名義成分為97%鎢、3%錸的合金，負極質量名義成分為75%鎢、25%錸的合金組成的熱電偶鎢錸3-鎢錸25熱電偶，分度號為D。

2.2 標準適用范圍

該標準適用于溫度范圍不高于1 500℃、分度表符合國標（GB/T 29823）的帶有保護管且不可拆卸的工業鎢錸熱電偶。對于其他型式或溫度范圍高于1 500℃的工業鎢錸熱電偶，可參照采用該標準的全部或部分條文。

（1）溫度范圍。

鎢錸熱電偶的理論溫度上限可達2 500℃，但這是在理想條件下的使用上限，實際的工業鎢錸熱電偶必須有絕緣物。絕緣材料暫不能達到高溫上限，熱電偶也不可能只在真空、惰性氣氛中使用。因此使用溫度也必然低于理論使用溫度上限。國內外雖然有上限溫度達2 000℃的產品，但大部分只限用于真空、惰性氣氛。當溫度高于1 500℃時，目前國內外還沒有公認的、能保證試驗準確度的試驗裝置和試驗方法。我國的《鎢錸熱電偶校準規范》所覆蓋的溫度范圍是1 500℃。因此，該標準的溫度適用范圍只能≤1 500℃。

（2）允差。

鎢錸熱電偶允差如表2所示。

表2鎢錸熱電偶允差Tab.2 Tolerance of tungsten rhenium thermocouples

我國鎢錸熱電偶絲的國標（GB/T 29823）中，其允差分為0.5%與1%兩種，但該標準僅保留1%這一種精度等級，原因如下。

①工業鎢錸熱電偶由熱電偶絲及保護管等組成。熱電偶的精度主要受其熱電偶絲精度的影響。由0.5%級鎢錸熱電偶絲制成的工業鎢錸熱電偶，受偶絲均勻性及絕緣材料等因素影響，不一定全部都能達到0.5%級。鎢錸熱電偶的生產廠需要經過篩選，才有可能達到0.5%級。

②該標準嚴格建立在自身大量試驗數據的基礎上，可是鎢錸熱電偶國標（GB/T 29823），是在該標準即將完成時發布的。因此，鎢錸熱電偶的生產廠及編制小組尚未全面探討生產0.5%級工業鎢錸熱電偶的可行性、合格率及穩定性。因為鎢錸熱電偶絲檢定不符合0.5%，可剪掉前端部分，其后部仍可使用。但工業鎢錸熱電偶剪掉后就不能再用了。因此，將0.5%級列入該標準時機尚未成熟。

③ASTM有關鎢錸熱電偶絲的精度等級也只有1%一種。

綜上所述，在目前條件下，該標準的允差定為1%是穩妥的。將來鎢錸熱電偶生產廠可大量生產0.5%級工業鎢錸熱電偶，或者通過大量試驗證明0.5%級工業鎢錸熱電偶穩定可靠時，建議再修定增加0.5%級。

（3）使用氣氛。

①鎢錸熱電偶絲的使用氣氛，ASTM推薦為：真空、干燥H2及惰性氣氛。

②工業鎢錸熱電偶的使用氣氛，分為以下兩種。

a.氧化性氣氛：帶有Al2O3等陶瓷保護管的工業鎢錸熱電偶。

b.真空或保護氣氛：帶有鉬等難熔金屬保護管的工業鎢錸熱電偶。

（4）絕緣電阻。

工業鎢錸熱電偶的絕緣電阻值，對高溫穩定性及其使用壽命影響很大，有的鎢錸熱電偶性能欠佳，原因之一是其絕緣電阻值太小。高溫絕緣電阻是隨時間變化的，變大、變小、幾乎不變各占1/3。由于填充材料或絕緣物尚存在少量水分，則因烘干的作用，使高溫絕緣電阻變大；如果絕緣物與填充材料中雜質發生作用，則電阻可能變小。為了探討合理的高溫絕緣電阻值，沈陽東大傳感技術有限公司及其合作單位，分別在1 100℃、1 300℃和1 500℃下，測量鎢錸熱電偶高溫絕緣電阻值。

試驗結果表明，1 300℃、1 500℃的高溫絕緣電阻值很小，尤其在1 500℃下更小，難以確定合理的數值，而1 100℃的高溫絕緣電阻值相對較大，故將高溫絕緣電阻的檢驗溫度定為1 100℃。高溫絕緣電阻檢驗溫度點的確定，參考了ASTM E608的鎧裝熱電偶標準中K型和N型鎧裝熱電偶的上限溫度均高于1000℃，但其高溫絕緣電阻檢驗溫度卻定為1 000℃。因此，該標準將工業鎢錸熱電偶的高溫絕緣電阻檢驗溫度確定為1 100℃。高溫絕緣電阻電阻值應不小于0.02 Ω。鎢錸熱電偶絕緣電阻試驗結果如表3所示。

表3中：①、②為任兩組試驗；均值為對①、②兩組試驗數據求平均。

（5）校準。

為了確保溫度量值的準確可靠，對新制或使用中熱電偶進行定期或不定期校準是必要的。但值得注意的是，鎢錸熱電偶的特性：高溫下因晶粒長大而變脆，在運輸或安裝過程中，有可能脆斷；或者在間歇式操作過程中，在熱應力作用下而斷裂。因此，在校準時應注意以下幾點。

表3 絕緣電阻試驗結果Tab.3 The test results of insulation resistance

①工業鎢錸熱電偶不可拆卸。

在校準時，熱電偶組件是不能從保護管取出的，這樣就難以準確判斷因測量端位置而產生的誤差。

②鎢錸熱電偶的參考端一定要放入冰點恒溫器內。

③工業鎢錸熱電偶高溫校準爐。

工業鎢錸熱電偶的保護管有兩類。

①Al2O3等陶瓷保護管。這類鎢錸熱電偶可以在現有的高溫爐校準。

②鉬等難熔金屬保護管。這類鎢錸熱電偶的保護管極易氧化，必須在帶有真空或惰性氣體保護氣氛的專用爐中校準；否則，熱電偶保護管氧化，不僅污染檢定爐，而且熱電偶也因外管氧化而損壞。

2.3 熱電動勢穩定性的試驗研究

鎢錸熱電偶穩定性試驗曲線如圖1所示。

鎢錸熱電偶高溫穩定性的最高檢驗溫度點及維持時間的確定，是該標準的重要內容之一。為了確保該標準技術條件準確、可靠，自行設計高溫穩定性試驗，以及常溫、高溫絕緣電阻試驗。由北京航天衛通測控設備研究所及沈陽東大傳感技術有限公司提供21支（有6支為雙支熱電偶）樣品。3年多來，經中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所及沈陽東大傳感技術有限公司在1 500℃的高溫下，共進行7次試驗，累計試驗時間1 000多小時。試驗結果表明：在100 h內，有18組合格，占總數的66.7%。穩定性試驗結果如表4所示。

圖1 穩定性試驗曲線Fig.1 Stability test curves

①工業鎢錸熱電偶穩定性試驗方式。

該標準未明文規定試驗方式，即制造廠或用戶可自行選擇連續或間歇式試驗方案。兩種方式各有特點。連續試驗方式的熱電偶穩定性要優于間歇式，但試驗者要日以繼夜工作。間歇式方便試驗者，上班送電，下班斷電，累計熱電偶工作時間；但對熱電偶穩定性而言，間歇式操作對熱電偶不利，在熱應力反復作用下有可能斷線。

表4 穩定性試驗結果Tab.4 Stability test results

②穩定性試驗時間。

ASTM E601-07a中，對廉金屬熱電偶材料在空氣中的熱電偶長期穩定性的試驗要求是極為全面、嚴格的。其試驗時間為500 h（約為1個月的有效工作日）。而對鎳鉻-鎳硅熱電偶絲（GB/T 2614）及在鎳鉻硅-鎳硅熱電偶絲（GB/T 17615）的穩定性試驗時間均為200 h，GB/T 30429規定為250 h（約為兩周的工作日）。

參照上述條文，該標準開始將穩定性試驗時間定為200 h。由沈陽東大傳感技術有限公司與北京航天衛通測控設備研究所提供8支樣品，經沈陽東大傳感技術有限公司與中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所進行穩定性試驗。但是，在1 500℃的高溫下進行200 h的試驗過程中，兩家測試單位的測試爐各燒壞過一次，同時發現鎢錸熱電偶的高溫穩定性試驗在100 h內就已出現斷偶或不符合要求的熱電偶。為此，欲用100 h作為考核檢驗鎢錸熱電偶的穩定性。通過對幾支不同保護管的樣品熱電偶100 h穩定性試驗結果表明：工業鎢錸熱電偶的試驗樣品開始皆為正差，其中少量樣品超差。但經過5～9 h后皆符合1%t的允差要求。經過100 h后，有67%的樣品的示值誤差滿足1%t的變化要求，只有33%的樣品超差。試驗既可以發現或檢測出穩定性不能滿足要求的鎢錸熱電偶，又縮短了檢驗時間。如果沿用原定200 h穩定性試驗時間，不僅耗能費時，還有可能燒損檢定爐。綜上所述，將穩定性試驗時間定為100 h是適宜的。

3 鎢錸熱電偶的防氧化技術

（1）鎢錸熱電偶的特點。

①鎢錸熱電偶的熔點高（3 000℃以上），強度大。

②鎢錸熱電偶在空氣中極易氧化，高溫下晶粒迅速長大。

③鎢錸熱電偶同貴金屬熱電偶相比熱電動勢率大，靈敏度高。

④鎢錸熱電偶價格便宜，僅為S型熱電偶的1/9。

（2）鎢錸熱電偶的防氧化技術。

為了在氧化性氣氛中使用鎢錸熱電偶，必須探討其防氧化技術。

目前，國際通行的防氧化技術有兩種：物理法與化學法［9］。其共同點是在鎢錸熱電偶保護管內，人為制造適宜鎢錸熱電偶絲的工作氣氛。通常采用經典的物理法，即對保護管抽空、充氣，然后將其末端嚴格密封，形成不可拆卸的工業鎢錸熱電偶。

（3）不可拆卸的工業鎢錸熱電偶。

工業鎢錸熱電偶，通常皆為不可拆卸。在該標準制定過程中，有人建議在適用范圍中去掉“不可拆卸”。由于當前尚有部分使用者或計量人員對鎢錸熱電偶的特點不熟悉、不了解，有可能在校準工業鎢錸熱電偶時，強行將密封好的工業鎢錸熱電偶組件從保護管中抽取出來校準，放入普通高溫爐中，致使鎢錸熱電偶氧化損壞不能用。因此，將工業鎢錸熱電偶前加上“不可拆卸”的定語，對正確使用及校準工業鎢錸熱電偶是有益的。

4 標準特點

（1）開創性與先進性。

鎢錸熱電偶早在1931年研制成功，但是，直至1984年實現了統一分度以后，才真正得以發展，尤其是隨著高溫、宇航及尖端技術的剛性需求，鎢錸熱電偶的應用越來越廣泛。然而，直到目前為止，國際上除了鎢錸熱電偶絲標準外，尚未發現有關工業鎢錸熱電偶技術條件或標準。因此，該標準中有關工業鎢錸熱電偶的適用范圍、允差、絕緣電阻及熱電動勢穩定性等技術指標，尚無可參照數據，皆需自行試驗研究確定。該標準具有開創性。

（2）權威性與科學性。

①權威性。

任何一個國家的行業標準或國家標準，皆代表國家形象與技術水平。因此，作為標準，應具有權威性、科學性與實用性。該標準邀請國家計量科學研究院、中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所、東北大學、上海工業自動化儀表研究院等國內權威計量、科研、高等院校及生產單位共同完成。由此可以看出，該標準的編制具有很強的實用性與權威性。

②科學性。

該標準無國內外可參考的數據。因此，必須以科學試驗數據作為編制該標準的基礎與依據，進行大量試驗。為此，在編制過程中為了確定熱電動勢的穩定性試驗時間，進行了1 000多小時的高溫試驗。同樣地，為了確定常溫與高溫絕緣電阻值，也進行了多次試驗。

總之，該標準以自行試驗數據為基礎，認真聽取各方意見，經反復討論推敲后，確定了各項技術指標。

5 結束語

該標準自2011年10月21日下達計劃，至2015年11月，經過四年的艱苦努力，新標準終于批準發布了。工業鎢錸熱電偶將告別無技術標準的時代。新標準發布必將促進我國乃至世界工業鎢錸熱電偶的發展與應用。當然，標準尚有不完善之處，有待在今后的工作中進一步修改與補充。

［1］工業和信息化部.工業鎢錸熱電偶技術條件：JB/T 12529-2015［S］.北京：機械工業出版社，2017.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.（0～1 500）℃鎢錸熱電偶校準規范：JJF 1176-2007［S］.北京：中國計量出版社，2007.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.鎢錸熱電偶絲及分度表：GB/T 29823-2013［S］.北京：中國標準出版社，2014.

［4］王魁漢.特種WRe溫度傳感器在復合參數工業環境中的應用［J］.計量學報，2007（3）：201-203.

［5］王魁漢.溫度測量實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［6］王魁漢，董健.國際熱工領域有關溫度測量的前沿技術與最新動態［J］.儀表世界，2014（31）：30-37.

［7］王魁漢，張志鵬.溫度傳感器的國產化研究與應用［J］.金屬熱處理，2014，39（12）：170-174.

［8］ 王魁漢，黃明旭.真空爐專用熱電偶及其選擇［J］.真空，2014，51（6）：43-48.

［9］ WANG K，DAI M，DONG J，et al.Oxidation-resisting technology of WRe thermocouples and their industrial applications［J］.ITS，2012（15）：581-586.

Compilation and Introduction of the New Standard for“Technical Requirements of Industrial Tungsten Rhenium Thermocouple”

WANG Kuihan1，LI Minghua2
（1.Shenyang Dong Da Sensor Technology Co.，Ltd.，Shenyang 110179，China；2.Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

In order to better implement the latest industrial standard of industrial tungsten rhenium thermocouples，the contents and the compilation process of the standard are introduced briefly.The related regulations and technical specifications about the classification，non-removability，applicable temperature range，usage atmosphere，tolerance，EMF stability and high temperature insulation resistance of the tungsten rhenium thermocouples are investigated.The detailed explanations for the anti-oxidation technology of the industrial tungsten rhenium thermocouple，the maximum test temperature，the maintaining time and the high temperature insulation resistance value are given.It shall be noted that the standard for the industrial tungsten rhenium thermocouples requires that the industrial tungsten rhenium thermocouple with oxidizing easily material protection tube，such as molybdenum，must be calibrated in vacuum or protective atmosphere.The standard of industrial tungsten rhenium thermocouples will promote development and applications of industrial tungsten rhenium thermocouples in China.

Tungsten rhenium thermocouple；Industrial thermocouple；Electro motive force EMF；Use atmosphere；Tolerance；High temperature insulation resistance

TH7；TP2

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711016

修改稿收到日期：2017-07-14

王魁漢（1938—），男，學士，教授，長期從事高端溫度傳感器開發與嚴酷環境測溫技術的研究。E-mail：dongdasensor@163.com。