⑴ 2010年注評機電設備輔導:設備故障診斷技術(5)
三、溫度測量法
通過溫度測量可以找出機件的缺陷並能診斷出各種由熱應力引起的故障。不僅如此，溫度測量法還可以彌補射線、超聲、渦流等無損探測法的不足，用來探測機件內部的各種故障隱患。研究和應用實例表明，溫度測量法是目前故障診斷中的一項十分實用而有效的診斷方法。
（一）測溫儀表
分為接觸式和非接觸式兩類。
1.熱電偶。
（1）特點：熱電偶與後續儀表配套可以直接測量出0 0C～18000 C范圍內液體、氣體內部以及固體表面的溫度。測量范圍非常寬，對象可以是氣體、液體溫度，也可以是固體表面的溫度。
（2）原理：熱電偶是基於熱電效應進行工作的。
熱電偶由兩根不同材料的導體A，B焊接而成。焊合的一端T為工作端（熱端）、用以插入被測介質中測溫，連接導線的另一端T 0為自由端（冷端）若兩端所處溫度不同，則所產生的熱電動勢由儀表指示。熱電偶的熱電動勢與熱電偶的材料、兩端溫度T、T0 有關，與熱電極長度、直徑無關。在冷端溫度T0 不變，熱電偶材料已定的情況下，其熱電動勢只是被測溫度的函數。
（3）分類：常用熱電偶分為標准鏈簡化熱電偶和非標准化熱電偶兩類。
①標准化熱電偶製造工藝比較成熟、性能優良且穩定，具有互換性。
②非標准化熱電偶多用在一些特殊場合，它們的一些特別良好的性能是標准化熱電偶所不及的。
比如，鎢錸系熱電偶長期使用的溫度達2800°C，短時間使用可達3000°C；
鎳鉻—金鐵熱電偶在4K溫度下也能保持大於10μV/°C的熱電勢率，是一種理想的低溫熱電偶。熱電勢率與靈敏度有關，熱電勢率大，靈敏度就高。
③實際使用的熱電偶通常分為普通熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶等。普通熱電偶的結構外形有多種形式，但其基本結構均由保護套管、熱電極、絕緣套管和接線盒等主要部分組成。
圖9-15就是一個熱電偶的結構圖，其中1就是一個保護套管。
鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬保護套管等組合成一體，外表好像覆蓋了一層鎧裝的特殊結構熱電電偶，可以做得很細，很長，能夠彎曲。
薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜，真空蒸鍍、化學塗層或電泳等方法連接在一起的一種特殊結構的熱電偶。
2.熱電阻溫度計：
（1）原理：
熱電阻溫度計利用材料的電阻率隨溫度變化而變化的特性，與電橋相配合，將溫度按一定函數關系轉換為電量。
（2）分類：
按敏感材料的不同，有金屬熱電阻溫度計和半導體熱電阻溫度計兩種。常用的金屬熱電阻有鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻等。其結構有普通型熱電阻和鎧裝熱電阻。
工業用普通型熱電阻的外型結構與普通型熱電偶的外形結構基本相同。熱電阻體由引出線、熱電阻絲、骨架、保護雲母片和綁帶組成。鎧裝熱電阻的主要特點是體積小（直徑僅為局殲1～8mm），響應速度快，耐振抗沖擊，感溫元件、連接導線及保護套管全封閉並連成一體，使用壽命長。
半導體熱電阻材料是將各種氧化物（如錳、鎳、銅和鐵的氧化物）按一定比例混合壓制而成。半導體熱電阻的溫度測量范圍在-100°C～300°C之間。其主要特點是電阻溫度系數大（比金屬熱電阻高10～100倍），電阻率高，感溫元件可做得很小，可根據需要做成片狀、棒狀和珠狀（珠狀外型尺寸可小到3mm），可測空隙、腔體、內孔等處的溫度。但其性能不夠穩定，互換性差，使其應用受到一定限制。
3.紅外測溫儀器
（1）原理：
核心是紅外探測器，它能把紅外輻射能轉變為電能。紅外測溫儀器是利用紅外輻射原理，採用非接觸方式，對被測物體表面進行觀測，並能記錄其溫度變化的設備。
（2）分類：
按對輻射響應方式的不同，將紅外探測器分為光電探測器和熱敏探測器兩大類。
表9-5光電、熱敏探測器性能比較
棚臘褲靈敏度 響應速度 製冷 使用方便 其他
光電探測器 高 快 需要 不太方便 靈敏度隨波長變化
熱敏探測器 低 慢 不需要 方便 耐用、價低、對波長響應變化微弱
（3）常用的紅外測溫儀器：紅外測溫儀、紅外熱像儀。
①紅外測溫儀：是紅外測溫儀器中最簡單的一種。品種多、用途廣泛、價格低廉，用於測量物體 「點」的溫度。
②紅外熱像儀。它能把被測物體發出的紅外輻射轉換成可見圖像，這種圖像稱為熱像圖或溫度圖。這種測溫方法簡便、直觀、精確、有效，且不受測溫對象的限制，因此，在溫度測量中得到比較廣泛的應用，並有著寬廣的應用前景。
現有的熱成像系統主要分兩類：一類是光機掃描成像系統，稱為紅外熱像儀；另一類是熱釋電紅外攝像管成像系統，稱為紅外熱電視。
表9-6是常用測溫儀，比色測溫儀，單色測溫儀可以達到3000到3500度這樣一個溫度。因為是非接觸式測量，所以可以達到很高的溫度。
表9-6常用外測溫儀
名稱 應用范圍 特點
簡易輻射測溫儀 測2000C-測6000C以上及輻射率高的物體 結構簡單、價廉、抗震、精度較差
輻身測溫儀 適宜室溫下測溫，一般測測2000C以下溫度 結構簡單、價格較低、較抗振、精度受環境影響，探測器熱敏度電阻互換性差，與二次儀表匹配難，靈敏較低，誤差較大
有溫度補償的輻射測溫儀 應用廣泛 測量精度高，結構較復雜
亮度測溫儀 宜測輻射率高的物體溫度、測溫結果低於真實溫度 不需溫度補償，結構比較簡單，靈敏度稍差
比色測溫儀 測輻射率的物體，宜測中高溫測2000C－測35000C 結構較復雜，測量誤差小，靈敏度較高，受煙霧、灰塵影響小
單色測溫儀 宜測高溫測6000C－測30000C 結構簡單、使用方便、靈敏度高，能抑制某些干擾，波長越短輻射率引起的誤差越少，測量精度較高。
（二）通過測溫測量所能發現的常見故障
1.軸承損壞。
2.流體系統故障。
3.發熱量異常。
4.污染物質積聚。
5.保溫材料的損壞。
6.電氣元件故障。
7.非金屬部件的故障。
8.機件內部缺陷。
9.裂紋探測。
【例題11•單選題】 熱電偶（）的說法錯誤的。（2005）
A.基於熱電效應進行溫度測量
B.不僅能測量液體、氣體內部的溫度，還能測量固體表面的溫度
C.所產生的熱電動勢不僅與熱電偶材料、兩端溫度有關，還與熱電極長度有關
D.便於遠距離和多點測量
答案：C
【例題12•單選題】光電探測器和熱敏探測器（ ）。（2006）
A.都能把入射的紅外輻射能轉變為電能
B.使用起來都同樣很方便
C.具有同樣高的靈敏度
D.具有同樣高的響應速度
答案：A
【例題13•單選題】與金屬熱電阻溫度計相比，半導體熱電阻溫度計（ ）的說法是錯誤的。（2007）
A.電阻溫度系數大B.電阻率高
C.性能穩定D.互換性差
答案：C
【例題14•單選題】下列溫度計中，（ ）屬於非接觸溫度計。（2008）
A.膨脹式溫度計B.壓力式溫度計
C.比色高溫計D.半導體熱敏電阻溫度計
答案：C
四、裂紋的無損探傷法
裂紋是機器零部件最嚴重的缺陷。裂紋可能在原材料生產、零部件加工以及設備使用等各個階段產生。
對設備零部件裂紋的檢查，主要採用無損探測法。利用無損探測技術不僅能發現機件的裂紋，以及腐蝕、機械性能超差等變化，而且還可以根據機件損傷的種類、形狀、大小、產生部位、應力水平、應力方向等信息預測損傷或缺陷發展的趨勢，以便及時採取措施，排除隱患。
有多種無損探測法供選用，如目視——光學檢測法、滲透探測法、磁粉探測法、射線探測法、超聲波探測法、聲發射探測法、渦流探測法等。
（一）目視—光學檢測法
對於封閉結構內部不能直接觀察的零件，主要使用工業內窺鏡進行目視——光學檢測。
（二）滲透探測法
使著色滲透液或熒光滲透液滲入機件表面開口的裂紋內，然後清除表面的殘液，用吸附劑吸出裂紋內的滲透液，從而顯示出缺陷圖像的一種檢驗方法。
（三）磁粉探測法
根據探測漏磁場方式的不同，可將磁性探測法分為磁粉探測法、探測線圈法、磁場測定法和磁帶記錄法。
磁粉探測法所用設備簡單，操作方便，檢測靈敏度較高，適用於各種形狀的鋼鐵機件，這種探測法可以發現鐵磁材料表面和近表面的裂紋，以及氣孔、夾雜等缺陷。其缺點是這種探測法不能探測缺陷的深度。
（四）射線探測法
x射線和y射線，主要用來探測機件內部的氣孔、夾渣、鑄造孔洞等立體缺陷，當裂紋方向與射線平行時也能被探測出來。穿透力強，能夠探測很厚的機件。
優點是探測的圖像較直觀，對缺陷尺寸和性質的判斷比較容易，而且探測結果可以記錄下來作為診斷檔案資料長期保存。
其缺點是，當裂紋面與射線近於垂直時就難以探測出來，對微小裂紋的探測靈敏度低，探測費用較高，射線對人體有害，必須有防護措施。
（五）超聲波探測法
可以探測垂直於超聲波的金屬和非金屬材料的平面狀缺陷。可探測的厚度大、檢測靈敏度高、儀器輕便便於攜帶、成本低，可實現自動檢測，並且超聲波對人體無害。
其缺點是探測時有一定的近場盲區、探測結果不能記錄、探測中採用的耦合劑易污染產品等。
（六）聲發射探測法
1、基本原理
物體在外部條件（如力、熱、電、磁等）作用下會發聲，根據物體的發聲推斷物體的狀態或內部結構的變化。
2、特點
（1）探測時需要對設備外加應力；
（2）動態檢測，在載入或運行狀態下進行；
（3）裂紋主動參與，提供裂紋活動的信息；靈敏度高、覆蓋面大、不會漏檢；
（4）不能反應靜態缺陷情況。
（七）渦流探測法
1、原理：
機件中存在損傷時，被監測機件表面的渦流將發生改變，相應的渦流磁場也將改變。
2、特點：
（1）適用范圍廣，適用於導電材料表面或近表面探傷；靈敏度高，可自動顯示報警；
（2）非接觸式；
（3）可用於高溫探傷；
（4）可用於顯示、記錄和成像；
（5）深層缺陷難以探測；
（6）影響因素多；
（7）判斷缺陷的種類、形狀、大小比較困難；
（8）存在邊界效應。
【例題15•多選題】靜態檢測鑄銅件表面的裂紋，可採用（ ）。（2006）
A.滲透探測法B.磁粉探測法C.渦流探測法
D.聲發射探測法E.目視—光學探測法
答案：ACE
五、磨損的油液污染檢測法
根據監測和分析油液中污染物的元素成分、數量、尺寸、形態等物理化學性質的變化，便可以判斷是否發生了磨損及磨損程度。常用的方法包括油液光譜分析法、油液鐵譜分析法、磁塞檢查法。
（一）油液光譜分析法：
1、原理：
利用原子發射光譜或原子吸收光譜分析油液中金屬磨損產物的化學成分和含量，從而判斷機件磨損的部位和磨損嚴重程度的一種污染診斷法。
2、特點：
光譜分析法對分析油液中有色金屬磨損產物比較適用。 用於早期、精密的磨損診斷。磨屑粒度一般小於10微米。
（二）油液鐵譜分析法：
從油樣中將微粒分離出來，並按照微粒的大小排列在基片上，通過光學或電子顯微鏡讀出大小微粒的相對濃度，並對微粒的物理性能做出進一步分析。油液鐵譜分析能提供磨損產物的數量、粒度、形態和成分四種參數，通過研究即可掌握有關的磨損情況。
（三）磁塞檢查法：
用一個帶有磁性的金屬棒，直接伸到機器內部潤滑油的底部，然後把油泥吸上來，用肉眼來觀察，用於檢查磨損後期磨粒尺寸大於70μm的情況的情況。
【例題16•單選題】下列機件磨損油污檢測法所用的裝置中，（ ）更適於早期的、精密的磨損診斷。（2007）
A.鐵譜分析儀B.光譜分析儀
C.直讀式鐵譜儀D.磁性塞頭
答案：B
重點把握振動、雜訊和溫度感測器的結構、特點及其應用范圍。