一、传感器与金属热处理的关系

   目前热处理工艺并没有如人们想象的那样普遍可以得到控制，而热处理工艺的高可靠性对人们的生产生活是非常有用的。热处理过程中一些重要参数有：炉膛温度、工件温度、气氛的碳式、碳流量或氮流量、气流、炉压、油淬温度、淬火油搅拌和淬火激烈程度。

     如表1所示,其中许多参数可以用有效的传感器或分析仪进行测量和控制。然而,将近有一半的参数因为还没有传感器或测量仪器而进行测量。

表1　重要热处理过程参数的控制

二、金属热处理介绍

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

加热是热处理的重要工序之一，加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外，转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。

采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。金属整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火共四种基本工艺。

三、几种传感器在热处理中的应用

（一）、氧探头传感器在热处理可控气氛中的应用

   与其他氧分析仪器相比，氧探头传感器具有响应速度快，可连续跟踪检测，灵敏度高，测量精度高，结构简单，以及安装使用方便等优点，因而越来越受到热处理要求高、自动化程度高的设备制造企业的重视。

在热处理可控气氛炉中应用和推广碳势控制技术，标志着热处理行业的一大进步。而利用氧探头、碳势控制仪在可控气氛炉中进行碳势控制，是热处理领域的又一重大突破。由于氧探头响应速度快，测量精度高，能直接与被测气氛接触等特点。同时也逐步扩展至其他相关可控气氛设备的工艺控制和测量之中。氧探头在热处理行业的技术进步和起到的作用，越来越被热处理业内人士所认知。由于使用条件的不同，氧探头传感器的结构形式也各有区别，但是氧浓差电池的传感元件组成和工作原理是相同的。

1、工作原理

 氧探头是利用固态电解质氧化错(球、柱、片或管状)陶瓷敏感元件测量炉内渗碳气氛中的氧分压，由于炉外氧分压P，和炉内氧分压Pz不同，在氧化错的两侧产生浓差电势E, E的大小符合能斯特方程:

            E=1/NF·RT·ln(P1/P2)

式中  E-浓差电势(mV);

      N-电极反应中电子转移数;                   

      R-气体常数，8.314J/K·mol-'; 

      F-法拉第常数，96.487J/ mv·mol-'; 

      T-氧化错温度(K) ;                    

      P1-参比气(空气)中的氧分压;

      P2—炉内气氛中的氧分压。

2、工件温度

 氧探头的工作温度一般为800~1100℃，其额定下限工作温度为800℃，必须在这个温度以上才能使用，此时反映的氧势值才是正确的，这是由氧化锆电解质特性所决定的。

（二）、热电偶在金属热处理

1、温度传感器的选择

温度传感器是把非电量温度转换成电信号的传感器，按测温的方式，可分为接触式和非接触式两大类。接触式温度传感器，包括热电偶、热电阻、PN结温度传感器、热敏晶体管、可控硅和集成温度传感器。非接触式温度传感器，包括利用塞贝克效应制成的红外吸收型温度传感器和MOSFET红外探测器。热电偶温度传感器相对于热敏电阻等其他温度传感器，具有温度控制精度高，温控点调节方便，本身结构简单等特点，适合工业电热装置。 由于金属热处理需要的温度为中高温，不需要特别高的温度，所以系统采用在中高温下精度高的温度传感器。镍铬-镍铝热电偶，在600-1000℃范围内，是精度最高的温度传感器之一，允许误差只有1±0.75，短期工作最高温度为1200℃。该热电偶使用温区宽，上限温度在廉价金属热电偶中是最高的，热导率低，且其正常工作温度范围大于系统的控温范围，即使系统发生故障，短期超温运行也可正常工作，不至于损坏，故本系统中采用K型镍铬一镍铝热电偶作为温度传感器。

2、温度检测电路与放大电路

由于热电偶产生的热电势，是由冷热端的温度差而产生的，输出热电势是根据冷端温度为0℃时所得到的，而实际上热处理炉的工作环境温度是很不稳定的，也不可能使冷端温度一直处于0℃，因此冷端温度也不是稳定的，产生的热电势也是不稳定的。所以在变送器的放大电路中，需要设计一个冷端温度补偿电路。当然，也可以用软件的方法，对其进行补偿。为了简化程序，在本设计中采用IC温度传感器 AD590对冷端温度进行温度补偿，能够达到同样的效果。

   在此电路中，只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益)，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。RW是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器，参数应满足AV大于100。本文电路中A1、A2采用低漂移高精度运放OP-07芯片，其输入失调电压温漂和输入失调电流温漂都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。OP- 07要求双电源供电，使用温度范围0~70℃，一般不需调零。后级运放A3则可用较廉价的µA741芯片，要求双电源供电，供电范围为± (3 ~18) V，典型供电为±15 V，一般应大于或等于±5V，其内部含有补偿电容，不需外接补偿电容。

为防止热电偶由于温度超出范围，产生过大的电势对后级电路的破坏，在热电偶接入第一级运放前，要接入一缓冲电路，如图2所示的输入端电容C1. C2是对输入信号进行滤波，钳位二极管D1.D2起保护作用，避免输入线路故障时瞬态尖峰干扰损坏运放和后级电路。输入电压送入采样保持、A/D转换电路转换后，由单片机进行数据处理。

 通过以上的热电偶冷端补偿措施和采用的温度检测电路、放大电路的设计，以及MAXI 97A/D转换和P80C58单片机的采用，实现了对温度的准确测量，进而保证了金属热处理中对温度控制的效果。

（三）、新工业炉工艺传感器在热处理炉中的应用

1、淬火强度的监控

在液体淬火体系中，淬火液的温度是至今唯一能够控制的参数。所有其他的参数也会影响冷却系统的淬火强度，例如流过工件区油的流量和流速，淬火液的化学组分可能变化，这些都完全没有监控。

热处理车间偶然做的检测只是用IVF碎火检测仪加到液体淬火体系上测淬火液的淬火强度。由于这种检测方法需要烧尽炉内气氛，要停炉，所以这种试验大约每一年只能做二次。而且IVF碎火检测仪是纯手工操作，检测条件会变化，系统在一定程度上的重现性是有疑问。

 试验所有淬火三个阶段(蒸发阶段、沸腾阶段和对流阶段)的传冷和冷速曲线，然后将它们与先前测的曲线做比较，可以检查出淬火液是否老化。由于用手握传感器，在淬火槽的位置和上一次检测的位置可能只有一点偏差，就难以注意到扰动系统的任何变化。IVF淬火检测仪的最大缺点是不能自动连续地监控淬火液。

 一项名为“流体-淬火-传感器”新开发的传感器能克服这个缺点。开发这个系统的设计思想是:只在冷却周期的低温部分测量淬火强度，这部分淬火是所谓“对流冷却”。这个可以有效地监测搅拌的影响，主要反映在冷却曲线的传导冷却部分，也就是传感器能浸没在淬火液中保持没有任何机械驱动的运动。而且在整个期间可以用有限的电源加热，不必担心传感器表面的淬火油分解。

    传感器依据的理论和工作原理示意图见图。 

传感器主要包括二个温度传感器，测量传感器的两个绝热区的温度。在低温区，用恒定的电加热升高温度。所以这个区域内的温度传感器始终指示比没有加热区内的传感器温度要高，液体的温度是直接测得。二者的温差取决于对流热量的损耗，例如取决于淬火系统的搅拌功率。搅拌功率越大，两支热电偶之间的温差就越小。

所以，从传感器获得的热量，即热传导系数直接与温差成反比。采用流体-淬火-传感器，就可能直接检查液体淬火系统的搅拌质量，也能直接测量出对流冷却阶段的热传导系数。

下图表明了传感器对淬火系统搅拌能力变化响应的灵敏性(两只温度传感器之间的温差)。任何搅拌器速度的改变都能直接导致传感信号的明显变化。在炉子的控制系统中，流体碎火传感器对温差的变化能全程连续监控，且能用作相应的评估。

不同扰动条件下流体-淬火-传感器的响应性能

  配置多个搅拌器的流体淬火系统，紧靠每个搅拌器应安装一只流体淬火传感器，确保直接监测任何一只搅拌器是否失灵。

   传感器的另一种用途，作为实际淬火条件的连续监测装置，在整个淬火槽中能分析流体的均匀性。因此，流体淬火传感器浸没在淬火槽中的不同位置，采集相应的温差信号。推导出实际传热分布的三维图。利用这个图优化淬火的均匀性，达到减少硬度和变形的分散。下图是比较两个不同流体淬火槽传热分布的例子。

2、气体(流量传感器)

    就像液体淬火系统一样，气体淬火系统中淬火的强度经常无法测量。目前只有将炉料热电偶直接和工件接触，或和炉料中的模拟工件接触，然后在冷却过程中得到相应的炉料冷却曲线。这种方法的缺点是手工操作，有时这些热电偶会接触不好。其次这些炉料热电偶只测出冷却曲线上有限的值。这些冷却曲线唯一的用处是，与先前有相同炉料参数、和相同冷却条件的炉料作对比。如果炉料大小和冷却条件发生变化时(较薄的截面厚度)，就不可能将这次的炉料和以前的炉料的冷却曲线做比较。

    所有的这些局限由新开发的流量传感系统(Ipsen-Liscic传感器)克服了。这种传感器是在一只奥氏体钢制的圆柱体内含三支和传感器内部连接的热电偶，测量两个近表面的温度和中心温度。此传感器放在炉料的顶上，几支热电偶插入和炉子连接的安装座内，因此气淬过程中能给出相应的冷却曲线、冷速曲线、热流量和热传导系数。

   下图是流量传感器的示意图和原理，通常根据测得的冷却曲线和冷速曲线计算在流量传感器表面的热流量和热传导系数。数学模型的主要步骤是:根据测得的近表面温度，通过表面的热流量(与表面的温度梯度成正比)计算表面温度，最后一步是算热传导系数。为了计算热传导系数还需要气体的温度，气体的温度也是用附加了第四支热电偶的流量传感器测量，此热电偶与传感器的外部环境接触。

整个流量传感器系统由以下三个部分组成:流量传感器，数据记录系统，它连续记录冷却过程中四支热电偶的数据。CD盘上数学模型的软件能在任何笔记本电脑上运行，并能连到数据记录系统。

四、结语

在过去的几年间，由于新型传感器的发展，热处理工艺的可靠性得到很大的提高，克服了不可靠的气氛工艺控制和监控淬火强度不足的缺点。

用剩余碳势测量仪，一种能控制渗氮和碳氮共渗中气氛势的新型氢氮传感器和在渗氮中直接测量化合物层长大的在线测量的动态传感器，改善了气氛程控的可靠性。

液体淬火系统中，在淬火液的搅拌液流中直接安装液体碎火传感器大大增强了淬火系统的可靠性，这些液体碎火传感器测量淬火过程中对流的热传导系数，当有偏离时能直接发出警报。

在气体淬火系统中，新型流量传感器不仅保证淬火条件在每批炉料中都有重现性，而且传热的数学模型能够预测出其他截面尺寸的其他炉料和其他材料的淬火结果。尽管这些先进的技术已经大大提高了热处理工艺的可靠性，但是还必须增加这些传感器和传感系统、所需要传输测量仪，例如碳流量传感器和氮流量传感器，都是正在研究的方向。

五、参考文献和注释

1、沈强、氧探头传感器在热处理可控气氛中的应用及维护、《金属加工热加工》、2012年增刊。

2、M.Lohrmann、新工业炉工艺传感器在热处理中的应用、《国外金属热处理》、2004年10月、第25卷第五期。

3、1672-545X(2010) 01-0159-03、黄安春、热电偶在金属热处理温度控制系统中的应用、《装备制造技术》、2010年、第1期.

                                               金属1401 张藤贤 

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