CN106370315B - 直接测温装置、等离子热处理炉及直接测温方法 - Google Patents

直接测温装置、等离子热处理炉及直接测温方法 Download PDF

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Abstract

直接测温装置，包括测温组件和数显仪表，所述测温组件包括壳体和安装于壳体内部的至少一个柔性热电偶，壳体内部设置有包覆柔性热电偶的保温材料；柔性热电偶包括测量端和接出端，壳体内部，柔性热电偶的测量端一侧，平行设置有至少一层绝缘质层；壳体外部，柔性热电偶的接出端一侧，由壳体端面延伸一真空密封层；柔性热电偶的接出端接数显仪表；所述柔性热电偶的测量端为平面，且平面最宽处的宽度为0.5mm～2mm；还包括信号隔离栅，安装于柔性热电偶的接出端与数显仪表之间。该直接测温装置可安装于等离子热处理炉等多种热处理设备，采用该装置可实现热反应装置内多点温度的直接测量。

Description

直接测温装置、等离子热处理炉及直接测温方法
技术领域
本发明涉及一种测温装置、应用该装置的等离子热处理炉及采用该装置进行测温的测温方法。
背景技术
测温装置是热反应、热处理领域常用的装置，为监控热反应或热处理温度、控制热反应或热处理效果，需要监控热反应装置、热处理装置内部的温度或热处理内部待处理工件的温度。由于热反应或热处理装置内部为高温环境，普通的测温装置并不适用，需要借助专用的测温装置。而现有测温装置存在的主要问题之一即是：并不能测得直接的温度，且测得温度的误差大。
以等离子热处理炉的应用为例：等离子热处理炉是利用由电能在真空状态下，所产生的等离子体的能量来进行熔炼或加热的一种加热炉，其结构包括直流脉冲电源、测温系统、电控系统、真空系统、炉罩(阳极)、底座(阳极)和工作台(阴极)等组成。
为控制等离子炉内的热反应，需要监测等离子炉内待处理工件表面的温度。炉内为高温环境，需要借助专用的测温装置。传统等离子热处理炉的测温问题，一直是困扰等离子工艺研发的一个重大难题。
传统等离子热处理炉测温使用一个铠装热电偶来测量等离子热处理炉炉内的空间温度，铠装热电偶直接测量炉内产品表面的温度时，会受到等离子炉内正离子轰击，干扰测量效果，导致测量结果不准确。因此，传统的方法并不适用直接接触炉内产品表面，而是在待处理工件上加工一深入孔，将热电偶插入工件内部深处。由于工件通常具有一定厚度，其内部温度会与表面温度相差大，因此造成测量的空间温度与工件表面的实际温度相差往往很大(约在50～100℃)。现在国内等等离子热处理炉操作人员往往使用眼睛观察炉内产品余温的方法来确定炉内工件的温度，在工艺升温阶段，往往需要十几个甚至几十个小时来确定最终工艺温度。而在等离子热处理炉工艺工程中工件做阴极，炉罩做阳极，这样阴阳两极之间有600～1000V的电势差。如果热电偶直接测量工件的温度，会把高压引入的温控仪表，从而烧毁仪表。且产品表面处于等离子体状态下，电场、磁场复杂的干扰也会影响热电偶的电势差，而直流脉冲电源本身发出的是一个1KHz的高频信号也会产生感应电势，影响热电偶的输出信号，从而使测量温度与实际温度有差别。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，提供一种测量直接、测量误差小的测温装置，同时还提供一种应用该装置的等离子热处理炉及采用该装置进行热反应或热处理装置内部测温的方法。
本发明的技术方案为：直接测温装置，包括测温组件和数显仪表，测温组件包括壳体和安装于壳体内部的至少一个柔性热电偶，壳体内部设置有包覆柔性热电偶的保温材料；柔性热电偶包括测量端和接出端，壳体内部，柔性热电偶的测量端一侧，平行设置有至少一层绝缘质层；壳体外部，柔性热电偶的接出端一侧，由壳体端面延伸一真空密封层；柔性热电偶的接出端接数显仪表；所述柔性热电偶的测量端为平面，且平面最宽处的宽度为0.5mm～2mm；还包括信号隔离栅，安装于柔性热电偶的接出端与数显仪表之间。其中，直接测温装置使用过程中，保温材料用以隔绝热处理过程中传导的热量；信号隔离栅用以排出热反应过程中(具体可为热反应装置内部)等离子体、电场或者磁场的干扰信号，使柔性热电偶真实准确的直接测量出热反应产品的实际温度；传统的柔性热电偶的测量端为球形，本发明将柔性热电偶的测量端加工为一平面，更利于其与被测物之间直接接触，同时，采用这种结构可实现精确的平面点状接触，且受热反应影响小，若接触端不为平面，则不能保证与被测物的接触性，若接触端平面设计的过大，则更易受热反应的影响。真空密封层由密封材料制成，真空密封层的设置是考虑到直接测温装置使用时需要配套安装在热反应装置上，而为了使加装直接测温装置不影响热反应装置的密封性，设置真空密封层。
优选的是：测温组件包括多个柔性热电偶，且每个柔性热电偶的测量端伸出长度相同或不同。选用多个柔性热电偶，可实现多点温度的测量；考虑到被测物可为规则形状或不规则形状，因此，可根据需求选择柔性热电偶的长度，避免由于热电偶长度不同，导致不能接触被测物。
优选的是：真空密封层的端面至少覆盖壳体端面。更利于安装后，保证密封效果。
优选的是：壳体为包括内层壳体和外层壳体的双层壳体，内层壳体和外层壳体之间形成壳体腔。
优选的是：还包括外冷循环系统，包括出流管路和回流管路；真空密封层处双层壳体内设置有冷却管路，所述出流管路和回流管路与冷却管路串联成冷却回路。外冷循环系统用以循环冷却真空密封层，以保证真空密封层的真空状态不受影响，避免直接测温装置安装后，造成热反应装置的发生泄漏，影响装置内热反应。外冷循环系统可选用水冷循环系统，此时，冷却物采用冷却水；也可以采用空气冷却循环系统，此时，冷却物为外冷循环系统制取的冷却空气。
优选的是：与柔性热电偶测量端最接近的一层或几层绝缘质层上，靠近柔性热电偶测量端的一侧，设置有等离子屏蔽层。当测温装置应用于等离子热处理炉上时，等离子屏蔽层用以屏蔽正离子对柔性热电偶的轰击，降低由于正离子的轰击对柔性热电偶测温的影响。
等离子热处理炉，安装有直接测温装置，所述等离子热处理炉上开有安装口，测温组件通过真空密封层与安装口紧密匹配安装；且柔性热电偶测量端一侧安装于等离子热处理炉内。
测温方法，包括以下步骤：将柔性热电偶的测量端的平面处于待测物表面接触，通过数显仪表观察温度测量值。
优选的是：将测温组件安装在热反应装置(如热处理炉或热反应炉)上，保证真空密封层与热反应装置(如热处理炉或热反应炉)之间的密封性，选取合适长度的柔性热电偶，使其与待测物表面接触。
优选的是：通过外冷循环系统向测温组件的壳体腔内部通入冷却物，对真空密封层进行冷却。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种直接测温装置，与传统的热反应测温装置不同，该装置增加了保温层和信号隔离栅，采用柔性热电偶进行温度测量，并将柔性热电偶的测量端加工为平面，可以降低热反应过程对测温装置的测量影响，并不再需要将热电偶深入到待测工件内部，可直接测量工件表面温度。同时，直接测温装置还设置了真空密封层和外冷循环系统，降低由于加装直接测温装置对热反应装置内部的影响。
(2)本发明提供了一种等离子热反应炉，通过加装以上直接测温装置，可实现等离子热反应炉内部多点温度的直接测量。由于设置了等离子屏蔽层，可降低等离子反应对热电偶的影响，更准确的测量等离子热反应炉内部工件的温度。
(3)本发明还提供了一种直接测温方法，采用该方法可实现对热反应装置内部多点温度准确、直接的测量。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为等离子热反应炉结构示意图。
其中：1-壳体，201-柔性热电偶，202-柔性热电偶，203-柔性热电偶，204-测量端，205-接出端，3-保温层，4-绝缘质层，5-真空密封层，6-信号隔离栅，7-数显仪表，8-外冷循环系统，801-出流管路，802-回流管路，803-冷却管路，9-等离子屏蔽层，10-真空泵，11-控制柜,12-等离子液氮炉，13-反应物
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
如图1所示，直接测温装置，包括测温组件和数显仪表7，测温组件包括壳体1和安装于壳体1内部的至少一个柔性热电偶，本实施例中，柔性热电偶201,202和203采用三个，三个作用相同，无差别，目的是实现同时多点测温。壳体1内部设置有包覆柔性热电偶的由保温材料制成的保温层3，保温层3完全包覆住三个柔性热电偶201,202和203；每个柔性热电偶均包括测量端204和接出端205，壳体1内部，柔性热电偶的测量端204一侧，平行设置有至少一层绝缘质层4，为了实现更好的绝缘效果，本实施例中设置了三层绝缘质层4；壳体1外部，柔性热电偶的接出端205一侧，由壳体1端面延伸一真空密封层5；柔性热电偶的接出端205接数显仪表。其中，真空密封层5的端面至少覆盖壳体1端面，更利于将测温装置安装与热反应装置，具体可以为与壳体1端面面积相等或大于壳体1端面面积。
柔性热电偶的测量端204为平面，且平面最宽处的宽度为0.5mm～2mm；可以为这种结构，测量端204为一圆形平面，平面直径为2mm。
还包括信号隔离栅6，安装于柔性热电偶的接出端205与数显仪表7之间。其中，直接测温装置使用过程中，保温层3用以隔绝热处理过程中传导的热量；信号隔离栅7用以排出热反应过程中(具体可为热反应装置内部)等离子体、电场或者磁场的干扰信号，使柔性热电偶真实准确的直接测量出热反应产品的实际温度。
作为一种更优的实施方式，三个柔性热电偶201,202和203的测量端204伸出长度均不同。选用多个柔性热电偶，可实现多点温度的测量；考虑到被测物可为规则形状或不规则形状，因此，可根据需求选择柔性热电偶的长度，避免由于热电偶长度不同，导致不能接触被测物。其中，测量端204伸出的长度不局限于以上，可根据需要设计为多个均相同或部分相同部分不同。
壳体1为包括内层壳体和外层壳体的双层壳体，内层壳体和外层壳体之间形成壳体腔。为了降低温度对真空密封层5密封性能的影响，进一步为柔性热电偶组件加装外冷循环系统8，包括出流管路801和回流管路802，真空密封层5处双层壳体内设置有冷却管路803，出流管路801和回流管路802与冷却管路803串联成冷却回路，即出流管路801与冷却管路803的一端相连，回流管路802与冷却管路803的另一端相连，冷却物经出流管路801流出，在冷却管路803中流动，同时冷却真空密封层5，最后经回流管路802流回。外冷循环系统8用以循环冷却真空密封层5，以保证真空密封层5的真空状态不受影响，避免直接测温装置安装后，造成热反应装置发生泄漏，影响装置内热反应。外冷循环系统8可选用水冷循环系统，此时，冷却物采用冷却水，冷却水经出流管路801流入壳体腔，并经回流管路802回流至外冷循环系统8；也可以采用空气冷却循环系统8，此时，冷却物为外冷循环系统制取的冷却空气，其流动原理与冷却水相同。
与柔性热电偶测量端205最接近的一层绝缘质层4上，靠近柔性热电偶测量端的一侧，设置有等离子屏蔽层9。当测温装置应用于等离子热处理炉上时，等离子屏蔽层用以屏蔽正离子对柔性热电偶的轰击，降低由于正离子的轰击对柔性热电偶测温的影响。等离子屏蔽层9的设置不局限于以上一种结构，为了保证更好的等离子屏蔽效果，可以在与测量端205最接近的两层或三层绝缘质层4上均设置等离子屏蔽层9。
采用以上直接测温装置进行温度测量时，将其安装在热反应装置内，以将其安装在等离子热处理炉上为例，进一步提供一种安装有该直接测温装置的等离子热处理炉。
如图2所示，等离子热处理炉，安装有直接测温装置，等离子热处理炉上开有安装口，测温组件通过真空密封层5与安装口紧密匹配安装，以保证等离子炉的密封性；且柔性热电偶测量端205一侧安装于等离子热处理炉内。具体的说，可在真空密封层5处设置安装法兰，与等离子热处理炉紧密安装。
采用以上直接测温装置进行温度测量的直接测温方法，包括以下步骤：将柔性热电偶的测量端205的平面处于待测物表面接触，通过数显仪表7观察温度测量值。
将测温组件安装在热反应装置(如热处理炉或热反应炉)上，保证真空密封层5与热反应装置(如热处理炉或热反应炉)之间的密封性，选取合适长度的柔性热电偶，使其与待测反应物表面接触。
通过外冷循环系统8向测温组件的壳体1腔内部通入冷却物，对真空密封层5进行冷却。
具体以将本测温装置装入国产LDM-100A型辉光等离子渗氮炉12中的使用为例，装炉待测反应物13质量为500kg，工艺目标温度520±5℃。控制柜11用于控制等离子液氮炉12内的温度。任意选取炉内产品的9个点，将柔性热电偶(柔性热电偶类型选用K型)测量端205，分多次分别接触9个点，保持测量端205裸露并固定。可在测量端205安装“U”型卡扣将其卡在待测反应物13上，固定。
启动真空泵10，将等离子热处理炉抽至极限真空，开始辉光等离子渗氮工艺升温过程，不断观察控制柜11控制温度和直接测温装置的数显仪表7温度，并对电源占空比工艺参数进行修正，直至9个测量点温度到达目标温度520±5℃。
测温过程中，通过外冷循环系统8向双层壳体内部通入冷却物，用于冷却真空密封层。
进行工艺保温渗氮过程，直至工艺时间结束，出炉检测产品渗氮结果，并与相关资料结果对比，较检装置9点测温的准确性。

Claims (7)

1.直接测温装置，包括测温组件和数显仪表，其特征在于：所述测温组件包括壳体和安装于壳体内部的至少一个柔性热电偶，壳体内部设置有包覆柔性热电偶的保温材料；柔性热电偶包括测量端和接出端，壳体内部，柔性热电偶的测量端一侧，平行设置有至少一层绝缘质层；壳体外部，柔性热电偶的接出端一侧，由壳体端面延伸一真空密封层；柔性热电偶的接出端接数显仪表；所述柔性热电偶的测量端为平面，且平面最宽处的宽度为0.5mm～2mm；还包括信号隔离栅，安装于柔性热电偶的接出端与数显仪表之间。
2.如权利要求1所述的直接测温装置，其特征在于：所述测温组件包括多个柔性热电偶，且每个柔性热电偶的测量端伸出长度相同或不同。
3.如权利要求1所述的直接测温装置，其特征在于：所述真空密封层的端面至少覆盖壳体端面。
4.如权利要求1所述的直接测温装置，其特征在于：所述壳体为包括内层壳体和外层壳体的双层壳体，内层壳体和外层壳体之间形成壳体腔。
5.如权利要求4所述的直接测温装置，其特征在于：还包括外冷循环系统，包括出流管路和回流管路；真空密封层处双层壳体内设置有冷却管路，所述出流管路和回流管路与冷却管路串联成冷却回路。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的直接测温装置，其特征在于：与柔性热电偶测量端最接近的一层或几层绝缘质层上，靠近柔性热电偶测量端的一侧，设置有等离子屏蔽层。
7.等离子热处理炉，其特征在于：安装有权利要求6中所述的直接测温装置，所述等离子热处理炉上开有安装口，测温组件通过真空密封层与安装口紧密匹配安装；且柔性热电偶测量端一侧安装于等离子热处理炉内。
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