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关于红外线陶瓷加热器内置热电偶问题剖析
发布时间：2017-04-21 15:17:59 信息来源：萨莱米自动化
热电偶剖析问题，打破传统。Ceramicx在热电偶领域投入了大量的时间跟人力，以促进及保护其在这方面的专利工作。
公司同时还整合了一份全面的技术报告来了解热电偶应用于加热及红外加热工作时产生的问题。HeatWorks报告这项工作的主要结果。详细的记述将在白皮书里面展示，且将于2015年2月底在Ceramic的网站上发布。
Ceramicx分析了当今市场上最主要的热电偶类型，研究它们在使用过程中出现的问题，并投入于自己的专利热电偶技术及创新。
它很好的记录了热电偶在红外线及加热情况下的性能，它可以成为一般工业用户困惑的源头。尽管热电偶测量是应用辐射的合理指示，但映射热动力学完整的红外加热系统必须结合许多其他元素。
这篇Headworks文章将相应的陈述红外加热的环境及背景，同时会介绍一些Ceramicx首创并且现在正在生产的一些主要的热电偶的设计及创新。
陶瓷元件中的热电偶
热电偶连接各陶瓷加热器能提供实际的温度信息，它既能成为操作指示也可以作为操作系统的一个反馈。安装热电偶是为了获取陶瓷加热器本身的正面温度及靠近加热圈时的温度以便提供令人满意的热响应。安装及使用热电偶对于闭环系统来说是完全必须的，当然还有很多因素需要理解及考虑到以便可以从热电偶上获得最大的效益。需要考虑的因素包含以下几个方面：
--热电偶的类型
--材料的极限性
--供应商的变化
--接合的方式
--热电偶的设计及定位
此外，热电偶是制造元件不可或缺的一部分，过程包括
--预埋和铸造
--烘烤操作
--堆焊及终止？
--测试方法
因此，放置在陶瓷元件内的热电偶必须能够容忍以上所有的制造工艺并且在生产结束的时候还能提供强大的输出。
在第五和最后的设计中，热电偶引线与石英管接触通过石英管然后绕过管背面焊接的位置。剩下的两端将会缠绕并系在一起，这种缠绕结构可以给加热圈提供最佳的热暴露（热量感应）？
已完成的热电偶组件装入1000W的线圈并放在测试组件中，然后在管中填充白色水泥（胶合剂）以模拟在测试前被允许在空气中固化的陶瓷，测试结构在下图3b可见，所有热电偶的升温率可以很明显的进行比较，同时也可以看到每一个新的设计显示出来的对现有电流的改善，最快反应的热电偶是Type 5 ，这种缠绕的设计，升温率为12°C每秒。
这反应速度几乎是传统的三倍，跟焊接热电偶的4倍，这有望在投入生产的时候产出比目前三重焊接有更快反应的热电偶。随着在发热丝上放置热电偶及对热电偶的设计及反应进行改进，新型的Ceramicx Cerix NG 热电偶将在准确性、反应速度及寿命上达到最高水平。
热电偶Cerix NG 的介绍
Ceramicx自己设计及制造的热电偶目前的型号叫做Cerix，为了创造下一代的Cerix热电偶，在最终确定Cerix NG之前Ceramicx仔细研究了四种可能的新型热电偶设计。
第一款热电偶就是目前的Cerix设计，它是两条三线缠绕的热电偶丝点焊在彼此的顶部形成热电偶接合。点焊后，每条两根多余的线剪掉，剩下的一根线绑在石英玻璃管上从而将热电偶固定在对应的加热圈上，在这基础上进行变动将会形成其他的设计，包括第二、第三、第四种设计。
Cerix NG 热电偶正在引入到市场且将与所有生产及操作系统轻易融合
Ceramicx认为有必要为市场引入一个更好的产品，因为对各种各样型号的测试已经发现了一些红外加热的不足。例如：
--陶瓷柱往往可以作为散热器引起热电偶的慢反应。
--想改进热电偶反应可以通过重新定位热电偶在发热丝（圈）里面的接合点，远离陶瓷柱。
--测试珠（热结）的设计对热反应有重大影响。
这些因素在设计Ceramicx Cerix NG热电偶的时候都是有考虑到的。
许多其他方面的因素在设计及生产Cerix NG中也是有思考到的，包括在元件中的位置；热、窑烧效应；热电偶信号输出；电噪声问题；终端及连接；热电偶和热通量输出。
即将发表的白皮书中最精彩的部分将会做以下总结：
热电偶设计----在元件中的位置
这个很关键，Ceramicx有一个专利流程，它可以解决稳定定位、电噪声的问题，且通过专利Cerix热电偶重复的温度输出？？这种Cerix系统的优势将继续保留并将在新一代 Cerix NG热电偶做一些改进。
这个过程遵循的原则是透明石英玻璃是一个很好的红外辐射发射器，能高效快速将热量传递到物体上。
通过在加热圈上放置一条透明石英管，让热电偶直接接触石英管，这样加热圈的热量就可以迅速的转移到热电偶，整个元件温度的变化也可以很密切的追踪到，Cerix系统还可以防止热电偶在铸造过程中热电偶移位的问题。图4可以看到Cerix 热电偶在元件中的位置。
石英玻璃是很好的电绝缘体，因此加热丝和热电偶之间的电干扰能达到最小化。石英管的均匀直径确保了热电偶和加热圈之间的距离可以保持恒定？？这样反过来也将导致整个陶瓷元件热电偶读数的一致性。Cerix热电偶与之前的系统对比有更强的反应时间，从图3a可以看出传统的K型热电偶与Cerix K型热电偶之间的差别。
Cerix热电偶结构的另外一个优点是它允许高热量通过红外装置传递到热电偶的尖端，而不是主要通过导电的方式，这样在不用增加热电偶尖端金属数量的情况下可以有更多的热灵敏度，因为增加金属数量会带来更多的电干扰。
热电偶的放置通常需要一个折中的位置，这样既能使热电偶能尽可能的接近加热圈以达到快速反应的效果，同时又跟线圈保持足够大的距离从而避免有过大的电噪声。热电偶必须进行重复运行以确保最后表明的温度与加热元件正面的实际温度是密切相关的。
电线质量；退化及终身服务
热电偶的衰退可能是由于供应商的生产或质量控制差造成的，如果电线粗糙或有明显的裂痕的话，它们将会在窑烧后引起开裂，因为任何裂口或表面裂纹都会成为裂纹萌生的理想点。
Ceramicx将其窑烧的专业技术独特地运用到研究及测试电线的热效应。
Ceramicx 发现热电偶丝在使用中可能发生脆化，公司已经进行了广泛的试验来克服这方面的潜在问题。
以K型热电偶为例，它通常有两条腿，正极为镍铬材质，负极为铝材质，尽管K型热电偶适用于氧化及惰性气体且温度可以高达1260°C，但是随着时间的推移，镍铬和铝将会损坏。
镍铬的损坏形式众所周知，具体表现为“绿色腐”，因为氧气会优先结合材料中的铬。然而，这种退化更多的是基于扩散 ，因此主要还是取决于时间和温度。
铝条的损坏通常是脆性断裂，金属丝会突然间断裂，局部非常脆弱是损坏的特征。大颗粒接近金属线内电线的直径大小时，将会导致脆化及增加电线开裂的可能性，这种退化的时间更是不可预测的。
窑烧过程中产生的氧化物的量及规模会因为不同的电线供应商而存在很大的差别，窑烧的过程也会影响到K型热电偶的抗拉强度。Ceramicx进行的一系列测试目的是为了评估经过重复窑烧后热电偶丝的退化情况，几种来自不同制造商的电线在不同的温度下进行研究，电线被切成150mm的长度后进行燃烧，接着测试其断裂强度，不同的制造商表现出惊人的变化of even basic K type thermocouple wire？？（本研究的全部结果将会在下一期的Ceramicx白皮书揭晓）
这些对热电偶丝在恶劣环境下产生变化的实验结果，是Ceramicx开发和产品可靠性的主要组成部分。
热电偶信号输出
一系列的问题会对热电偶产生影响从而影响到热电偶的信号输出。如果材料的特性因为焊接温度过高而发生变化时，热电偶尖端差的堆焊结构将会影响到读数。过大的焊姐缝也会引起温度梯度从而影响测量区。
高完整性的电气连接在任何的热电偶安装中都是必不可少的先决条件。
作为一个先发制人的测量器，Ceramicx 无论针型线耳或环形线耳都提供了高强度的压褶连接。Ceramicx还把热电偶丝点焊到线耳作为辅助及预防措施。针型线耳通常会由螺丝端子压住，这样会有足够的压力以保证良好的电接触。
热量也会沿着热电偶的护套及导线，从而改变局部bead的温度最后显示温度。因此一个小直径的热电偶将会传导较少的热量并提供更正确的结果。仔细的放置热电偶也是非常重要的。
为了检测K型热电偶在窑烧前后的实际温度输出变化，Ceramicx最近对主要的供应商生产的前两个批次的预加工热电偶进行了试验。此外，对于来自同一供应商电线的热电偶但在室内使用的是Ceramicx的设备进行试验？？电线的类型及温度暴露的变化再次引起关注。(同样，此份研究发现也将在Ceramicx 的白皮书上刊登）
电气噪声及泄露？？
这是一个关键的问题，来自所有制造商的陶瓷元件在某些情况下通过热电偶连接会产生电反馈？有时会导致客户的控制系统出现问题。
防噪声如同杂散磁场一样重要（从电力电缆到其他的电气设备），它可以由微细热电偶导线和延长电线带走，它会被误读为热电偶信号的一部分。这些磁场会在热电偶丝及延长线中产生额外的电压，因为热电偶产生的这种微小的电压开始与任何电磁干扰的电线连接起来，可以很容易地产生相同大小或更大的电压。（K型热电偶在25°C和30°C之间可以产生0.203V的电压）。噪声是暂时的或是恒定的主要取决于它的来源。
Ceramicx进行了一系列的实验来克服这些问题，包括在热电偶的设计、窑烧温度计陶瓷配方等方面都进行了试验。引起元件导电率减少的综合因素已经被找到，这些因素及设计将会运用到新型 Cerix NG热电偶及陶瓷元件的制造中去。
热电偶和热通量输出
大家必须记住，安装热电偶目的是为了协助元件温度的控制。它不涉及目标材料的加工温度，而是指元件的内部温度。对元件输入任何的功率都会导致元件温度的增加，因此辐射热通量是基于整体的发射率。加工条件等其他诸多因素也会对元件温度产生影响，因此也很难对最终的应用提供完整的指导。
在陶瓷元件中，线圈的定位和陶瓷材料的高发射率保持一致性意味着从线圈发出的高比例的热量将会发射红外能量。陶瓷元件表面温度产生的变化，rib和槽之间的温度差可以高达30°C，并在柱的地方构成一个相对较冷的区域。尽管这些表面温度产生了变化，但红外辐射的分布和数量在很大程度上是不受影响的。从图5的图片中可以看到QFE元件的正面阵列。
温度场显示出巨大的变化甚至描绘出元件之间的差距。然而，当用于工业的典型距离（75-200mm），加热器表面温度小的变化对热流场不会产生重大的影响，因此也不会对目标材料的即时温度产生显著影响。