鎧裝熱電偶具有反應(yīng)速度快、耐腐蝕、穩(wěn)定性好等特點，是常用的溫度儀表之一。鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶的制造一直受到世界各國的重視。美國、英國、德國、日本和我國等均制定有各自的鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著科學(xué)技術(shù)、套管材料和絕緣材料的不斷發(fā)展，鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶的技術(shù)要求和驗證試驗等也發(fā)生了相應(yīng)的變化。2016年4月，IEC61515:2016“Mineral Insulated Metal Sheated Thermocouple Cables andThermocouples”正式修訂出版。本文在系統(tǒng)梳理各國鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，具體分析和比較了IEC 61515:2016標(biāo)準(zhǔn)與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶》(GB/T18404-2001)、《廉金屬鎧裝熱電偶電纜》(JB/T8205-1999)、《工業(yè)鎧裝熱電偶技術(shù)條件》(JB/T5582－2014)的主要技術(shù)條件指標(biāo)。
1、國外標(biāo)準(zhǔn)
①美國標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于材料標(biāo)準(zhǔn)，不得不提著名的國際試驗與材料協(xié)會(ASTMInternational)。ASTM成立于1898年，當(dāng)時是American Societyfor Testingand Materials的縮寫，其主要任務(wù)是制定材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)等的特性和性能標(biāo)準(zhǔn)、試驗方法和程序標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推廣；2001年，ASTM更名為ASTM International。
在ASTM中，有一個專門負(fù)責(zé)溫度測量的技術(shù)委員會，代號為E20。ASTM E20具有制定標(biāo)準(zhǔn)時間早、技術(shù)要求高、標(biāo)準(zhǔn)涉及范圍廣和測試方法全等特點。1964年，ASTM發(fā)布了ASTM E235《核場合用K型鎧裝熱電偶》標(biāo)準(zhǔn);1977年，發(fā)布了ASTM E608《廉金屬鎧裝熱電偶》標(biāo)準(zhǔn)；1996年，發(fā)布了ASTM E585《廉金屬鎧裝熱電偶電纜》標(biāo)準(zhǔn)。ASTM對這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次修訂。ASTM標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前世界上內(nèi)容最完整、技術(shù)要求最高的標(biāo)準(zhǔn)之一，具有很強的實用性和指導(dǎo)性。
ASTM E20.04是溫度測量技術(shù)委員會下設(shè)的熱電偶分技術(shù)委員會，它制定的標(biāo)準(zhǔn)不僅涉及產(chǎn)品，還包括測試方法、產(chǎn)品零部件、產(chǎn)品使用等。ASTME20.04制定的鎧裝熱電偶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)簡要分類介紹如下：
a、產(chǎn)品技術(shù)條件類標(biāo)準(zhǔn)
ASTM E235-12《核或其他高度可靠應(yīng)用的K型和N型鎧裝熱電偶》標(biāo)準(zhǔn)對K型和N型鎧裝熱電偶的材料、制造、檢驗方法等作了規(guī)范，適用于高可靠性應(yīng)用類型。ASTM E585-12《廉金屬鎧裝熱電偶電纜》標(biāo)準(zhǔn)對廉金屬鎧裝熱電偶電纜的絕緣材料、套管、試驗驗證方法等作了要求。ASTM E608-13《廉金屬鎧裝熱電偶》標(biāo)準(zhǔn)適用于工業(yè)通用的廉金屬鎧裝熱電偶。“ASTM E2181-11《貴金屬鎧裝熱電偶和鎧裝熱電偶電纜》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了S型、R型和B型單支貴金屬鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶的材料、制造、尺寸、檢驗和試驗要求。
b、零部件技術(shù)條件類標(biāo)準(zhǔn)
ASTM E1129-15《熱電偶接插件》標(biāo)準(zhǔn)涵蓋可分離單支圓形引腳的熱電偶連接器。ASTM E1652-15《廉金屬熱電偶、鎧裝鉑電阻和貴金屬熱電偶制造中使用的氧化鎂和氧化鋁粉末及可壓碎絕緣子》標(biāo)準(zhǔn)涵蓋用于制造貴金屬、廉金屬鎧裝熱電偶及鎧裝熱電偶電纜和鎧裝鉑電阻的零件或材料-氧化鎂、氧化鋁粉末和可壓碎絕緣子的要求，包括絕緣材料的成分、絕緣子尺寸、密度和破裂模數(shù)、試驗方法、儲存和運輸要求等。ASTM E1684-15《微型熱電偶接插件》標(biāo)準(zhǔn)涵蓋可分離單電路帶扁平引腳的微型熱電偶連接器。
c、試驗方法類標(biāo)準(zhǔn)
ASTM E780-17《鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶的室溫絕緣電阻試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)對鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶絕緣電阻的測量設(shè)備、測量程序和試樣作了詳細(xì)規(guī)定。ASTM E839-11(2016)《鎧裝熱電偶和鎧裝熱電偶電纜的試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)沒有給出產(chǎn)品要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，這些由其他ASTM標(biāo)準(zhǔn)提供。該標(biāo)準(zhǔn)僅提供各項技術(shù)要求試驗的詳細(xì)測試方法，以確定鎧裝熱電偶和鎧裝熱電偶電纜的特性。ASTM E2820-13《廉金屬熱電偶接插件熱電動勢特性評定的試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)描述了E、J、K、N和T型熱電偶連接器的熱電動勢測試方法。
d、指南類標(biāo)準(zhǔn)
ASTM E1350-13《鎧裝熱電偶安裝前、安裝后或使用中的整機組件和連接線測試指南》標(biāo)準(zhǔn)為用戶提供了鎧裝熱電偶安裝前、安裝后或使用過程中測試鎧裝熱電偶整個回路的方法。參照采用該標(biāo)準(zhǔn)的我國國家標(biāo)準(zhǔn)《熱電偶現(xiàn)場試驗方法》目前正在報批中，標(biāo)準(zhǔn)將適用范圍擴(kuò)大到所有種類的工業(yè)現(xiàn)場熱電偶。ASTM E2846-11《熱電偶驗證指南》標(biāo)準(zhǔn)描述了熱電偶的驗證測試方法，該標(biāo)準(zhǔn)對有效提升我國計量測試領(lǐng)域、熱電偶制造和應(yīng)用企業(yè)的試驗室建設(shè)的整體水平具有非常實用的參考價值。
②其他國家標(biāo)準(zhǔn)
英國、德國曾有各自的鎧裝熱電偶標(biāo)準(zhǔn)，如英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 61515、德國標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 61515。自歐洲實施新的國際標(biāo)準(zhǔn)后，它們都已經(jīng)轉(zhuǎn)為直接采用IEC的標(biāo)準(zhǔn)。1982年，日本發(fā)布了JIS C1605-1982《鎧裝熱電偶》標(biāo)準(zhǔn)；1995年，對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂；2012年，再次確認(rèn)該標(biāo)準(zhǔn)。事實上，目前日本標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)要求仍保持在20世紀(jì)80年代初期的技術(shù)水平。
③IEC國際標(biāo)準(zhǔn)
1985年，IEC以IEC SC65B(秘書處)98號文提出了《廉金屬礦物絕緣熱電偶電纜和熱電偶(草案)》。當(dāng)時除美國、英國外，大多數(shù)國家的鎧裝熱電偶產(chǎn)品技術(shù)水平很落后。因此，草案提出的技術(shù)要求不能被各國接受。標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過艱苦的拉鋸，直到1995年才發(fā)布大幅刪改的IEC 61515:1995《礦物絕緣熱電偶電纜和熱電偶》標(biāo)準(zhǔn)。按照IEC的規(guī)則，1995年的標(biāo)準(zhǔn)早就應(yīng)該修訂了，但是鑒于人們對上次制定的艱難過程記憶猶新，沒有專家愿意接手這個工作；直到2006年，IEC才啟動修訂任務(wù)，中間又經(jīng)過曲折的過程，直到2016年才正式出版第2版。
2、最新國際標(biāo)準(zhǔn)和我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的比較
①IEC 61515:2016標(biāo)準(zhǔn)
2016年4月，IEC 61515:2016《鎧裝熱電偶電纜和熱電偶》標(biāo)準(zhǔn)正式修訂出版。IEC 61515:2016標(biāo)準(zhǔn)包括范圍、引用標(biāo)準(zhǔn)、術(shù)語和定義、一般原則、鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶的要求和驗證試驗、交付條件、包裝、標(biāo)志、證書、資料性附錄(雙支和三支鎧裝熱電偶電纜和熱電偶偶絲間距的替代配置、絕緣材料成分和工作溫度上限)等章節(jié)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工業(yè)用單支、雙支和三支鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶的要求。此次修訂增加了雙支和三支產(chǎn)品規(guī)格，這在各國標(biāo)準(zhǔn)中是首次，大部分企業(yè)目前都將這種規(guī)格作為非標(biāo)產(chǎn)品生產(chǎn)。
IEC 61515:2016與IEC 61515:1995的主要技術(shù)變化如下：
a、對雙支和三支類型進(jìn)行了規(guī)范;對絕緣電阻的要求進(jìn)行了修訂，以便用戶根據(jù)需要，選擇最佳產(chǎn)品。
b、擴(kuò)展了新的套管材料。
c、增加了測試項目、方法，以增強用戶體驗的友好性。
②我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)
我國現(xiàn)行的鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶標(biāo)準(zhǔn)分別為《工業(yè)鎧裝熱電偶技術(shù)條件》(JB/T 5582-2014)、《廉金屬鎧裝熱電偶電纜》(JB/T 8205-1999)和《鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶》(GB/T 18404-2001)。
1981年，我國制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB Y027-81《鎧裝熱電偶技術(shù)條件》。該標(biāo)準(zhǔn)后按新標(biāo)準(zhǔn)號體系重新編號，當(dāng)前版本為JB/T 5582-2014《工業(yè)鎧裝熱電偶技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)。我國自20世紀(jì)80年代起，就參與IEC SC65B/WG5溫度工作組，全程參與兩版IEC 61515的制定。雖然1985年版的草案中，我國有很多指標(biāo)達(dá)不到要求，但是我國從那時起就著手技術(shù)攻關(guān)。1987年，我國制定了JB8205系列鎧裝熱電偶電纜標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前的版本是JB/T 8205-1999《廉金屬鎧裝熱電偶電纜》。2001年，制定了GB/T 18404-2001《鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 61515:1995。在這一版起草之初，由于IEC 61515:1995的技術(shù)要求比當(dāng)時的JB/T 5582-1991和JB/T 8205-1999低，國內(nèi)行業(yè)專家都猶豫是否要將IEC標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國標(biāo)，后考慮我國采用國際標(biāo)準(zhǔn)的政策和對標(biāo)委會采標(biāo)率的評價，我國儀表材料和溫度儀表的標(biāo)準(zhǔn)化主管單位聯(lián)合，將該IEC標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)成國標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于由一對廉金屬偶絲構(gòu)成的一般工業(yè)用鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶。
③標(biāo)準(zhǔn)比較
IEC 61515:2016與GB/T 18404-2001的技術(shù)差別就是前文提到的IEC 61515:2016與IEC 61515:1995的差別，現(xiàn)對IEC 61515:2016和JB/T 8205、JB/T 5582-2014的主要技術(shù)條件指標(biāo)進(jìn)行比較。
A、IEC 61515:2016與JB/T 8205的比較
IEC 61515:2016與JB/T 8205的主要技術(shù)指標(biāo)比較如下。
a、尺寸規(guī)范
IEC 61515:2016在JB/T 8205單支尺寸的基礎(chǔ)上，增加了3.2mm、4.8mm、6.4mm、9.5mm、10.8mm這5種外徑規(guī)格。
b、電纜橫截面
IEC 61515:2016增加了雙支和三支類型橫截面規(guī)范，但對絕緣層厚度未作相應(yīng)規(guī)定，它應(yīng)當(dāng)滿足絕緣強度要求和絕緣電阻要求。JB/T 8205只給出單支類型。
c、表面粗糙度
IEC 61515:2016規(guī)定套管整體表面粗糙度應(yīng)等于或優(yōu)于GB/T 131表面粗糙度3.2μm，JB/T 8205無細(xì)化要求。
d、套管完整性檢查
IEC 61515:2016規(guī)定熱電偶電纜應(yīng)浸泡在水中5min(不包括熱電偶電纜末端)，取出后測量絕緣電阻，相較于JB/T8205要求的浸泡60min，在試驗時間上更快捷。
e、套管延展性和偶絲延展性
在IEC 61515:2016中，這是2項試驗，JB/T 8205對應(yīng)的則是“可繞半徑”試驗。IEC 61515:2016要求“可繞直徑為樣品直徑6倍的芯軸3圈”，JB/T 8205則要求“在5倍其直徑的圓柱體上彎繞5圈”。由此可以看出，JB/T 8205的要求更高。另外，IEC 61515:2016新增了套管材料鑒別技術(shù)要求。
f、室溫絕緣電阻
雖然IEC 61515:2016和JB/T 8205的熱電偶電纜外徑分類不同，但最小室溫絕緣電阻指標(biāo)基本一致。對外徑1mm以上的鎧裝熱電偶，室溫絕緣電阻指標(biāo)大幅提高。
出于電氣安全的考慮，室溫絕緣電阻指標(biāo)一般不是很高。而鎧裝熱電偶的室溫絕緣電阻不僅僅是電氣安全要求，它采用簡單經(jīng)濟(jì)的測試方法，對產(chǎn)品的原料質(zhì)量、防潮工藝的嚴(yán)密性以及最終產(chǎn)品的密封性進(jìn)行綜合考核。
g、高溫絕緣電阻
IEC 61515:2016的指標(biāo)體系發(fā)生了變化，IEC6 1515:2016按不同外徑分別提出了在300℃、500℃、800℃和1000℃的技術(shù)指標(biāo)，指標(biāo)采用“MΩ·m”形式給出，對實際技術(shù)要求有較大的提高。JB/T 8205則只在一個溫度點檢驗，固定加熱長度為0.5m。
h、絕緣強度
IEC 61515:2016增加了絕緣強度技術(shù)要求，這是對刪除電纜橫截面絕緣層厚度要求的解決方案。絕緣層厚度要求存在兩個問題：一是尺寸鏈表達(dá)要求難以滿足;二是實際測量需要采取損壞性手段，且只測得測量斷面的情況，其他斷面情況仍然不明。絕緣強度是鎧裝熱電偶的一項出廠必檢項目。因此，這一要求對鎧裝熱電偶電纜絕緣材料的選擇和制造工藝過程的控制是綜合性考驗。
i、熱電動勢測量
IEC 61515:2016和JB/T 8205要求相同，JB/T 8205給出了詳細(xì)的試驗方法。
B、IEC 61515:2016與JB/T 5582-2014的比較
IEC 61515:2016與JB/T 5582-2014的主要技術(shù)指標(biāo)比較如下：
a、外觀及裝配質(zhì)量
除成品熱電偶表面應(yīng)目測干凈、干燥外，IEC 61515:2016規(guī)定：整體表面粗糙度應(yīng)等于或優(yōu)于GB/T 131表面粗糙度3.2μm。粗糙度應(yīng)通過與表面粗糙度樣塊比較來確定。
b、熱電偶元件
IEC 61515:2016對JB/T 5582-2014尺寸規(guī)格進(jìn)行擴(kuò)充，增加了3.2mm、4.8mm、6.4mm、9.5mm、10.8mm這5種外徑規(guī)格，并對雙支和三支類型進(jìn)行了規(guī)范。
c、熱電偶測量端區(qū)外徑和熱電偶測量端縱截面尺寸。IEC 61515:2016和JB/T 5582-2014規(guī)定的接殼型、絕緣型測量端縱截面一致。
d、常溫絕緣電阻
當(dāng)0.5mm＜D≤1.6mm且測試電壓=100VDC時，因日本專家的堅持，IEC 61515:2016規(guī)定的最小絕緣電阻為20MΩ。目前，只有日本標(biāo)準(zhǔn)采用20MΩ要求。
e、高溫絕緣電阻
IEC 61515:2016給出了T、J、E、K、N這5類分度號在溫度分別為300℃、500℃、800℃、1000℃，且0．5mm≤D≤1.6mm、1.6mm＜D≤3.2mm、D＞3.2mm時的最小絕緣電阻。IEC 61515:2016的要求比JB/T 5582-2014的要求更細(xì)化，比其中標(biāo)準(zhǔn)級的要求高很多，但是比提高級的要求低。
f、熱響應(yīng)時間、熱電動勢及允差、極性和跌落試驗
IEC61515:2016和JB/T5582-2014對這4項的要求一致。
g、偶絲對電阻(指一對熱電偶絲的電阻)
JB/T 5582-2014無該項技術(shù)要求。IEC 61515:2016規(guī)定偶絲對電阻應(yīng)符合企業(yè)自己的聲明，這看上去是一項很寬松的要求，但是實際上對制造企業(yè)的產(chǎn)品工藝一致性提出了很高的要求。我國企業(yè)通常不提供該項參數(shù)，因為企業(yè)的鎧裝熱電偶電纜的來源多樣化，內(nèi)部偶絲的粗細(xì)均勻性難以檢測，各端點焊接的工藝一致性也不夠穩(wěn)定；偶爾有企業(yè)在樣本中提供該數(shù)據(jù)，來源往往是國外產(chǎn)品樣本或按熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)估算。IEC 61515:2016雖然提出了該項技術(shù)要求，但是沒有規(guī)定試驗方法。由于存在熱電偶的熱電勢，采用一般模擬萬用表測量會有較大誤差，因此需要采用恒流法的數(shù)字萬用表，正反兩次測量取平均值。
h、焊接封頭密封性
IEC 61515:2016對此作了嚴(yán)格規(guī)定，規(guī)定水淬試驗、惰性氣體壓力試驗、液氮試驗、著色探傷試驗，較JB/T 5582-2014增加了著色探傷試驗，且將氮氣氣氛改為惰性氣體氣氛。IEC 61515:2016另外增加了冷端密封水浸試驗、X射線照相檢查。實際上，X射線照相檢查并不是獨立的項目，而是熱電偶測量端縱截面尺寸的試驗方法。冷端密封水浸試驗則是對絕緣型工作端產(chǎn)品的冷端密封效果進(jìn)行檢查。
C、IEC 61515:2016的缺憾
盡管IEC 61515:2016反映了近期技術(shù)的發(fā)展，它采用常溫絕緣電阻、絕緣強度、偶絲對電阻等低成本測試項目，實現(xiàn)對生產(chǎn)工藝和內(nèi)在質(zhì)量的綜合檢測，是對國外企業(yè)質(zhì)量控制方法的總結(jié)，隱含著對我國的鎧裝熱電偶電纜和鎧裝熱電偶制造廠的更高要求。但是鑒于各國熱電偶技術(shù)發(fā)展水平不一樣，該標(biāo)準(zhǔn)還存在以下問題。
a、室溫絕緣電阻過低，低于高溫絕緣電阻。IEC 61515:2016對室溫絕緣電阻的技術(shù)水平偏低。雖然國際上對于室溫絕緣電阻的規(guī)定沒有相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行規(guī)范，但是20MΩ遠(yuǎn)低于同類國際標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。只有日本標(biāo)準(zhǔn)中室溫最小絕緣電阻允許采用20MΩ要求，本標(biāo)準(zhǔn)及其他主要經(jīng)濟(jì)體的標(biāo)準(zhǔn)的要求都不低于100MΩ。IEC 61515:2016在這一點上的表現(xiàn)非常不協(xié)調(diào)，既比自己規(guī)定的鎧裝熱電偶電纜低，又比IEC61515:1995低。
當(dāng)0.5mm＜D≤1.6mm時，室溫最小絕緣電阻為20MΩ。同樣直徑條件下，高溫最小絕緣電阻為250MΩ。室溫絕緣電阻過低，低于高溫絕緣電阻。
b、表面粗糙度的表達(dá)沒有完全采用當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)。
c、仍然與ASTM標(biāo)準(zhǔn)有較大差距
對照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，IEC61515:2016的各項指標(biāo)、參數(shù)等的科學(xué)性、先進(jìn)性和合理性還有待提高。
本文對比分析了最新鎧裝熱電偶國際標(biāo)準(zhǔn)和我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)條件指標(biāo)。總體而言，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平相當(dāng)，但是在產(chǎn)品類型規(guī)范、套管材料鑒別、高溫絕緣電阻細(xì)分、偶絲對電阻要求和焊接封頭密封性試驗等方面仍存在一定差距，還有很大的提升空間。
隨著全球新一輪科技革命的到來和“中國制造2025”戰(zhàn)略的大力推進(jìn)，鎧裝熱電偶作為基礎(chǔ)的測溫元件，其作用日益凸顯。結(jié)合我國熱電偶行業(yè)現(xiàn)狀，加快最新國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，對于推動我國熱電偶企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提升我國熱電偶行業(yè)的整體質(zhì)量水平及其市場競爭力具有重要意義。
作者：上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司 蘇杏麗
