作者：Chuck Reed, 美国Ipsen 高级客户服务销售专家
热电偶在热处理过程中扮演着关键角色，它们能提供准确的温度数据，确保炉子系统安全、稳定地运行。它们经设计可承受极端条件，用于检测超出温度范围的情况、验证炉温均匀性，并监控整个生产运行过程中的温度。
热电偶的工作原理是将两根不同材质的金属导线（例如镍与铜，或铂与铑）连接在一起形成一个感温点。当该接点受热时，就会产生一个微小电压，这种现象被称为热电效应，即塞贝克效应（Seebeck effect）。每种类型的热电偶其温度和电压输出之间的关系是已知并明确的，从而使炉控系统能根据该电压判断炉膛内的温度。
虽然热电偶可用于极高或极低的温度环境，但每种类型的热电偶都有其适用温度范围和灵敏度，这取决于其所用的金属材料。
在真空炉中，有些热电偶专门用于向温控系统提供信息，以决定什么时候开启或关闭加热元件；另一些则在单次生产或少量批次生产中使用，以确保在炉内不同部位的实际温度符合设定工艺。
对于使用 Ipsen 真空炉的用户来说，最常见的两种热电偶有两种：半永久性的控温加超温保护热电偶，以及用于生产和炉温均匀性检测的可重复使用或一次性的工件热电偶。
控温及超温保护热电偶
这些热电偶通常穿透炉体侧墙，是高度精密、结构较为脆弱的设备。最常用于此类用途的热电偶是S型, R型 或 B型热电偶（见上方图表）。
以下面图中热电偶为例，一根铂铑导线从端子接头引出，穿过炉体外部的因康合金管，再通过内部的陶瓷套管，最终到达炉膛内部（见下图）。热电偶安装在炉体外部，通过一个可调深度的接头固定在炉体上。控制热电偶的插入深度必须非常精确，因为它直接决定炉子工作时的温度。插入深度的微小偏差，就可能导致炉子无法通过温度均匀性测试。
在炉膛内部，控温和超温保护热电偶的陶瓷探头会略微伸出到加热元件之后，以便将正确的温度信息反馈给 PLC。它们的灵敏度足够高，可达到 0–2 ℉（约 1 °C）以内的精度，这足以满足相关工艺流程与 AMS 2750 标准的规定。
每组热电偶承担特定功能：
l控温热电偶 (Control thermocouple)：向 PLC 提供实时温度信息，使控制系统判断是否增加加热元件功率、降低功率或维持当前温度。
l超温保护热电偶 (Over-temperature thermocouple)：作为过程安全保护装置，如果炉内温度超过工艺要求，就会触发报警；也可以作为设备最高温度保护，以防止工件或炉子部件（包括热区）受损。
为了保证每个工艺过程的温度准确性，这两个热电偶的数据应当保持一致的。在某些真空炉中，控制热电偶的灵敏度极高，温度均匀性测试在指定的工作区内可以达到±5°F (±2.8°C) 或 ±10°F (±5.6°C) 的精度(具体能达到的精度取决于真空炉的工作温度范围以及其 AMS 认证等级)。考虑到这些系统的运行温度在 538°C（1000°F）到 1371°C（2500°F）之间，这样的精度已经相当惊人。
由于热电偶的陶瓷探头部分伸入热区装卸的高温区域，因此备有备用热电偶非常重要。如果装炉时操作不当，热电偶陶瓷管发生崩裂或破损的情况并不少见。
此外，Ipsen 建议至少每年检查一次热电偶的温度精度漂移，如果漂移超过热电偶证书允许范围，就应该更换。也可以通过系统精度测试(System Accuracy Test, SAT) 来判断热电偶是否仍然可靠。
工作与检测用热电偶
工作与检测用热电偶通常以线卷的形式提供，一般为单芯也可能是多芯形式。其材料通常由含镍、铬、硅、铝或镁等元素的合金制成。最常用于工作与测量的热电偶类型为 K 型或N型。
这些热电偶通过炉前的接线面板连接到 PLC，然后穿过炉膛，到达工装上的特定测温点，帮助检测整个负载在不同位置上的加热是否均匀。
尽管这类热电偶可以重复使用数次，但由于成本相对较低，行业内通常将其视为消耗品——在完成测量或生产验证后即予以报废或回收。
工件和检测热电偶通常以 12 支为一组进行使用。这种配置方式可帮助操作人员同时监控热区内不同区域、不同工件位置的温度均匀性。
检测用热电偶通常用于内部或外部质量体系要求、诊断和测试。传统的温度均匀性测试是在工装的9个点上布设热电偶，以监测整个工作区热分布是否均匀。另可增设两组热电偶，用于验证控制热电偶与超温热电偶的读数是否一致。剩余热电偶作为备用组件，用于监控热区内某些特定位置或工件密集区的温度。
工件热电偶的作用是在生产运行中测试和验证工艺的有效性。它们可以安装在工装夹具上、工件横截面或复杂几何形状的工件内部，通过实时反馈零件的实际受热情况，帮助用户评估加热效果，并进一步优化热处理工艺，以获得更理想的处理结果。
随着工件区尺寸的扩大，可以按照12支热电偶一组的方案进行扩展，从而提升在更大热区内进行测试的准确程度。每一组热电偶负责热区中的一个特定区域，从而在系统规模较大、温度均匀性更难控制的情况下，使诊断和测试工作更加清晰、可控。AMS 2750 标准明确的规定了不同热区体积和仪表类型所需配置的热电偶数量。
总结与建议
市面上的热电偶种类繁多，每种都其适用的工作温度及应用场景。通过充分理解每种热电偶在系统中的具体功能，我们便能更清晰地探讨特定热电偶的工作原理、不同类型热电偶价格差异的原因，以及在特定生产需求下，是否有必要考虑采用其他类型的热电偶来更好地满足实际应用要求。
来源：易普森工业炉