Nadcap熱處理認證高溫測量中熱電偶的技術探究

張 鵬，王飛云，史蒲英，李 娜

(西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

Nadcap是航空行業的特殊過程認證項目，通過行業管理的運作模式對航空供應鏈中涉及特殊過程的供應商進行過程符合性評估。

Nadcap認證主要涉及熱處理、化學處理、無損檢測、焊接、復合材料、噴涂、材料測試、非常規加工等專業。目前全球知名的航空主制造商都已經加入并參與到Nadcap項目之中。獲得Nadcap認證也成為打開航空市場，進入航空供應鏈的準入門檻之一。

在Nadcap熱處理認證中，熱處理設備的高溫測量是非常重要的審核內容[1]，而高溫測量的技術依據，需要嚴格執行AMS2750的要求。AMS2750[2]主要涵蓋熱電偶、儀表、熱處理設備、系統精確度測試、爐溫均勻性測試等內容。其中熱電偶[3]的管理與使用，是AMS2750高溫測量的重中之重，許多熱處理供應商由于不了解熱電偶的技術原理、管理與使用要求，造成了認證失敗。

1 熱電偶的工作原理

熱電偶是兩種不同材料的導體基于塞貝克效應制成的溫度計。通常兩種不同材料的導體稱為熱電偶的兩個電極，其兩個電極的一端焊接在一起形成一個測量端，測量時放置于被測溫場中，另一端為參考端。熱電偶兩端產生的電壓一般在mV級別，不同金屬組合可以產生不同的電壓，熱電偶的工作的原理圖如圖1所示。

不同分度的熱電偶的電壓與溫度近似關系圖2所示，根據圖2可以明確。

(1)不同分度的熱電偶測量的最高溫度不同。因此熱處理供應商需要根據不同的使用溫度選擇不同分度的熱電偶。

(2)對于R、S、B分度的貴金屬熱電偶，在低溫段電壓非常接近，需要使用精度很高的儀表進行顯示。因此，為提高顯示的準確度，低溫段建議使用賤金屬熱電偶。

(3)R、S分度的貴金屬熱電偶，其電壓溫度曲線非常接近，因此AMS2750規定，允許的駐留SAT熱電偶及受試熱電偶組合不允許R與S分度進行組合。這是因為當受試熱電偶(熱處理設備中的控制、監視或記錄熱電偶)發生溫度漂移后，駐留SAT熱電偶不能識別受試熱電偶的溫度漂移，從而造成嚴重的質量事故。

目前，有許多熱處理供應商將高溫測量項目進行外包，根據PRI的相關要求，熱處理供應商仍應總體負責，監控及評價外包工作，以確定符合客戶的要求。并且，外包的第三方高溫測量服務提供商應擁有來自ILAC(國際實驗室認可合作組織)認可的區域合作機構認證的ISO/IEC 17025質量體系，認可范圍應包括適用的實驗室標準和/或現場服務。因此，熱處理供應商應仔細評價外包方相關資質以及能力，以及是否具備相關項目的測試能力，以滿足AMS2750的要求。

2 熱電偶的分類、校準、選擇與使用

2.1 熱電偶分類

依據熱電偶覆蓋物的不同，AMS2750對其進行了清晰的分類，分類要求見表1。

表1 熱電偶分類

需要注意的是，將易耗型熱電偶放到一根管子中進行保護，并不能證明其已經成為非易耗型熱電偶。通常情況下，易耗型與非易耗型的分類狀態，以從廠家購買的原始狀態進行區分。

易耗型熱電偶，為任一部分熱電元件暴露在熱處理設備環境中的熱電偶，采用一次性使用后即拋棄的設計。非易耗型熱電偶，為沒有任何熱電元件暴露在熱處理設備環境中的熱電偶，一般更為耐用，可重復使用。

2.2 熱電偶的校準規范的要求

熱電偶的校驗方法必須滿足ASTM E207[4]或E220[5]或其他國際認可標準的要求，國內校準方法主要依據國家的相關校準規范。熱處理供應商應依據AMS2750的熱電偶校準項目與校準證書的內容要求，評審相應的校準報告是否滿足要求，是否存在缺項漏項等情況，形成相應文件記錄。AMS2750F版的證書要求如下：

(1)熱電偶、熱電偶批次或線/電纜卷的識別號;

(2)熱電偶類型，例如，K, N, E, RTD等;

(3)校準或復驗日期;

(4)校準報告中監視的電線/電纜卷的數量或長度;

(5)標明為首次校驗或復驗;

(6)校準精度要求;

(7)使用的測試熱電偶和測試儀表的識別號;

(8)名義校準溫度;

(9)被測熱電偶實際溫度讀數;

(10)參考ASTM E220或其他國際認可標準的校驗方法;

(11)每個校準溫度的修正系數或偏差/誤差，包括盤線的平均值;

(12)文件應清楚地說明偏差(誤差)或修正系數;

(13)對NIST或其他國際認可標準組織的可追溯性聲明;

(14)校準機構的識別號;

(15)進行校正工作的技術員的身份;

(16)校正機構獲授權代理人的批準;

(17)用戶質量部門的批準。

在此需要說明的是，AMS2750會有來自五年的審查和規范更新，熱處理供應商應依據最新版的要求，進行評審確認。

2.3 一般熱電偶的校準精度的要求

根據熱電偶在熱處理設備的應用，可將傳熱電偶分為標準熱電偶、系統熱電偶、測試熱電偶、負載熱電偶。標準熱電偶用于校驗在爐子上使用的熱電偶，不在熱處理設備上安裝。測試熱電偶用于對系統精確度測試與溫度均勻性測試。系統熱電偶用于對熱處理設備進行溫度控制、監控與記錄。負載熱電偶用于測量爐內零件或原材料的溫度，需直接與材料接觸。熱電偶及熱電偶校準的精度要求如表2所示。

表2 熱電偶及熱電偶校準的精度要求

續表

根據表2的校準精度要求，熱電偶在首次投用前，必須進行校準，校準精度應滿足表2的要求。

在進行系統精度測試與溫度均勻性檢測時，熱處理供應商一般采用賤金屬熱電偶，其校準周期為每季度(除E、K分度)。E、K分度由于使用壽命、復校后插入深度等影響，為避免造成工作量增加與潛在的不符合項，已很少采用。在此，建議需要進行Nadcap熱處理認證的熱處理供應商，盡量避免使用E、K分度熱電偶。

控制與記錄熱電偶，AMS2750規定在第一次使用前進行校驗，但是熱處理供應商應有明確的控制文件規定其替換間隔，否則會造成不符合項。這是由于熱電偶在高溫環境長時間持續使用，會造成熱電偶穩定性出現漂移，影響控溫精度。

需要注意的是，依據AMS2750F版的要求，用于系統熱電偶、測試熱電偶、負載熱電偶的賤金屬熱電偶的精度均壓縮至±2 ℉ (±1.1 ℃)或 ±0.4%，對熱電偶提出了更高的要求。

熱電偶的校驗溫度應涵蓋整個使用溫度范圍，溫度間隔不應超過140 ℃，根據現場使用的實踐經驗，可將溫度間隔設定為100 ℃，方便現場測試人員使用。

除NIST或其他國際公認標準組織外，禁止任何校準機構使用最高校準溫度之上和最低校準溫度之下的校準修正系數外推法。允許用線性方法在兩個已知校準點之間插值修正系數?；蛘?，應使用最臨近校準點的修正系數。無論使用哪種方法，定義和應用應一致。

熱處理供應商應針對AMS2750的要求核查熱電偶校準報告，并且應建立相應評審程序，確保最近一次的修正值正確的應用。

2.4 盤線的校驗要求

整盤采購熱電偶導線，再用其制作成為單個熱電偶，被稱作盤線校驗。該類熱電偶一般為易耗型熱電偶。

盤線須在首末兩端取樣和校準，對于同一批次的所有熱電偶，任何溫度下的修正系數應為兩端修正系數的平均值，對于一級和二級標準熱電偶為1.0 ℉或0.6 ℃，對于控制、記錄和負載熱電偶、系統精確度試驗和溫度均勻性試驗熱電偶來說為 2 ℉ 或1.1 ℃。但是，校準時，每卷盤線的最大長度應符合表3的要求。

表3 盤線的最大允許長度

如果盤線未能達到端到端之差的要求，可將其切為較短長度并進行重復測試，或者可以將其制作為單個熱電偶。

2.5 熱電偶的選擇

作為熱處理供應商，應恰當地選擇熱電偶并正確使用。恰當的選擇和維護用于獲取并連續測量過程變量的熱電偶，對于成功的過程控制至關重要。熱電偶的使用過程最常見的誤解是將兩條導線連接到一起都能制成同樣有效的溫度熱電偶，實際上這并不簡單，這需要考慮從材料類型到供應商的質量等幾個重要因素[6]。

選擇正確的熱電偶，可從以下幾個方面考慮：熱電偶接觸到的最高以及最低溫度、爐內氣氛、工藝規范以及所允許的誤差、測量過程預計持續的時間、采購成本、使用者是否有管理熱電偶的經驗等。

例如，如果熱電偶長期用于過程監控和控制，就需要有比定期使用的負載熱電偶更好的機械和腐朽保護。負載熱電偶價格更低，也有足夠的柔韌度可以插入爐內，但是其使用壽命往往較短。如果熱電偶的使用者經驗有限，或者不能經常對其進行維護，那么最好選用更穩健、具備更好保護的熱電偶系統等[7]。

2.6 熱電偶的重復使用要求

2.6.1 通用要求

除絕緣材料、導線，包括熱端均完好無損，否則不得重新使用任何熱電偶[8]。

熱電偶的重新使用，需滿足表4的要求。

2.6.2 對負載熱電偶的要求

1)可使用易耗性型賤金屬負載熱電偶

(1)在低于500.0 ℉或260.0 ℃使用時，第一次使用后3個月內不限制使用次數。

(2)在500.0 ℉～1 200.0 ℉或260.0～650.0 ℃，M、T、K和E型應限制在3個月或5次使用，以先到者為準，在1 200.0 ℉或650.0 ℃以上的僅限使用一次。

(3)在500.0～1 200.0 ℉或260.0～650.0 ℃，J型和N型應限制在3個月或10次使用，以先到者為準，在1 200.0 ℉或650.0 ℃以上的僅限使用一次。

2)非易耗性賤金屬負載熱電偶的使用壽命應受第一次使用以來的最大合格工作溫度和日歷天數的限制。

應保持累計負載熱電偶使用記錄，包括熱電偶批號、負載周期、溫度和使用次數。使用次數應包括在SAT和TUS期間的使用。最大更換間隔或使用次數，以首次使用非易耗性賤金屬負載熱電偶后最先出現的為準，應符合表5。

表5 非易耗性賤金屬負載熱電偶使用溫度、間隔或用途

3 不符合項產生的原因及解決方法

在Nadcap熱處理高溫測量中，與熱電偶的相關不符合項主要包括：

(1)熱電偶的校驗溫度未涵蓋整個使用溫度范圍，溫度間隔不符合間隔不超過140 ℃的要求。

(2)熱電偶的使用、重復校驗間隔、校驗精度等不滿足要求。

(3)在500.0 ℉或260.0 ℃以上使用E、K分度熱電偶，插入深度不滿足應等于任何以前使用的插入深度或比其深的要求。

(4)修正系數的引用，使用最高校準溫度之上和最低校準溫度之下的校準修正系數外推法。

(5)校準報告不符合標準規定的相關信息，存在缺漏項目。

產生上述不符合項的根本原因在于熱處理供應商對熱電偶的認識不足、分類不清、功能與用途不了解造成的。針對上述問題，熱處理供應商應充分了解熱電偶的分類、用途，根據相應熱電偶的特性，選擇合適分度合適封裝材料的熱電偶，使用過程與校準實施，應嚴格按照AMS2750的要求執行。具體的解決方法可參考下列方法：

(1)熱處理供應商應針對不同使用溫度范圍、不同用途的熱電偶，建立相應的管理臺賬，注明熱電偶檢測溫度范圍與有效期。為方便現場測試人員使用，建議可將試驗點溫度間隔設置為100 ℃。

(2)針對熱電偶校驗，建立相應的控制文件，規定使用要求，將涉及的熱電偶校驗間隔與精度進行細化，與熱電偶管理臺賬對應。

(3)由于E型或K型熱電偶在500 ℉ (260 ℃)以上重復使用插入深度應等于任何以前使用的插入深度或比其深，需要更多的記錄進行證明，工作量增加且容易疏漏，在此建議使用N分度熱電偶替代。若使用E型或K型熱電偶，則必須在相應的文件中明確要求并嚴格執行。

(4)建立熱電偶計量校準證書評審程序，將AMS2750的相關要求逐條明確，對校準完成后的校準證書與控制要求進行逐條確認。

4 結 語

本文以熱電偶為研究對象，深入論述了熱電偶的工作原理、校準規范要求、熱電偶的分類、精度要求、熱電偶的選擇、重復使用要求，在此基礎上，結合企業實際的認證過程與使用經驗，總結了Nadcap認證過程中針對熱電偶內容的不符合項產生的原因及解決方法。為Nadcap認證的熱處理供應商及Nadcap熱處理高溫測量技術人員提供了高效的方法指導。