⑴ 2010年注评机电设备辅导:设备故障诊断技术(5)
三、温度测量法
通过温度测量可以找出机件的缺陷并能诊断出各种由热应力引起的故障。不仅如此，温度测量法还可以弥补射线、超声、涡流等无损探测法的不足，用来探测机件内部的各种故障隐患。研究和应用实例表明，温度测量法是目前故障诊断中的一项十分实用而有效的诊断方法。
（一）测温仪表
分为接触式和非接触式两类。
1.热电偶。
（1）特点：热电偶与后续仪表配套可以直接测量出0 0C～18000 C范围内液体、气体内部以及固体表面的温度。测量范围非常宽，对象可以是气体、液体温度，也可以是固体表面的温度。
（2）原理：热电偶是基于热电效应进行工作的。
热电偶由两根不同材料的导体A，B焊接而成。焊合的一端T为工作端（热端）、用以插入被测介质中测温，连接导线的另一端T 0为自由端（冷端）若两端所处温度不同，则所产生的热电动势由仪表指示。热电偶的热电动势与热电偶的材料、两端温度T、T0 有关，与热电极长度、直径无关。在冷端温度T0 不变，热电偶材料已定的情况下，其热电动势只是被测温度的函数。
（3）分类：常用热电偶分为标准链简化热电偶和非标准化热电偶两类。
①标准化热电偶制造工艺比较成熟、性能优良且稳定，具有互换性。
②非标准化热电偶多用在一些特殊场合，它们的一些特别良好的性能是标准化热电偶所不及的。
比如，钨铼系热电偶长期使用的温度达2800°C，短时间使用可达3000°C；
镍铬—金铁热电偶在4K温度下也能保持大于10μV/°C的热电势率，是一种理想的低温热电偶。热电势率与灵敏度有关，热电势率大，灵敏度就高。
③实际使用的热电偶通常分为普通热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶等。普通热电偶的结构外形有多种形式，但其基本结构均由保护套管、热电极、绝缘套管和接线盒等主要部分组成。
图9-15就是一个热电偶的结构图，其中1就是一个保护套管。
铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属保护套管等组合成一体，外表好像覆盖了一层铠装的特殊结构热电电偶，可以做得很细，很长，能够弯曲。
薄膜热电偶是由两种金属薄膜，真空蒸镀、化学涂层或电泳等方法连接在一起的一种特殊结构的热电偶。
2.热电阻温度计：
（1）原理：
热电阻温度计利用材料的电阻率随温度变化而变化的特性，与电桥相配合，将温度按一定函数关系转换为电量。
（2）分类：
按敏感材料的不同，有金属热电阻温度计和半导体热电阻温度计两种。常用的金属热电阻有铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻等。其结构有普通型热电阻和铠装热电阻。
工业用普通型热电阻的外型结构与普通型热电偶的外形结构基本相同。热电阻体由引出线、热电阻丝、骨架、保护云母片和绑带组成。铠装热电阻的主要特点是体积小（直径仅为局歼1～8mm），响应速度快，耐振抗冲击，感温元件、连接导线及保护套管全封闭并连成一体，使用寿命长。
半导体热电阻材料是将各种氧化物（如锰、镍、铜和铁的氧化物）按一定比例混合压制而成。半导体热电阻的温度测量范围在-100°C～300°C之间。其主要特点是电阻温度系数大（比金属热电阻高10～100倍），电阻率高，感温元件可做得很小，可根据需要做成片状、棒状和珠状（珠状外型尺寸可小到3mm），可测空隙、腔体、内孔等处的温度。但其性能不够稳定，互换性差，使其应用受到一定限制。
3.红外测温仪器
（1）原理：
核心是红外探测器，它能把红外辐射能转变为电能。红外测温仪器是利用红外辐射原理，采用非接触方式，对被测物体表面进行观测，并能记录其温度变化的设备。
（2）分类：
按对辐射响应方式的不同，将红外探测器分为光电探测器和热敏探测器两大类。
表9-5光电、热敏探测器性能比较
棚腊裤灵敏度 响应速度 制冷 使用方便 其他
光电探测器 高 快 需要 不太方便 灵敏度随波长变化
热敏探测器 低 慢 不需要 方便 耐用、价低、对波长响应变化微弱
（3）常用的红外测温仪器：红外测温仪、红外热像仪。
①红外测温仪：是红外测温仪器中最简单的一种。品种多、用途广泛、价格低廉，用于测量物体 “点”的温度。
②红外热像仪。它能把被测物体发出的红外辐射转换成可见图像，这种图像称为热像图或温度图。这种测温方法简便、直观、精确、有效，且不受测温对象的限制，因此，在温度测量中得到比较广泛的应用，并有着宽广的应用前景。
现有的热成像系统主要分两类：一类是光机扫描成像系统，称为红外热像仪；另一类是热释电红外摄像管成像系统，称为红外热电视。
表9-6是常用测温仪，比色测温仪，单色测温仪可以达到3000到3500度这样一个温度。因为是非接触式测量，所以可以达到很高的温度。
表9-6常用外测温仪
名称 应用范围 特点
简易辐射测温仪 测2000C-测6000C以上及辐射率高的物体 结构简单、价廉、抗震、精度较差
辐身测温仪 适宜室温下测温，一般测测2000C以下温度 结构简单、价格较低、较抗振、精度受环境影响，探测器热敏度电阻互换性差，与二次仪表匹配难，灵敏较低，误差较大
有温度补偿的辐射测温仪 应用广泛 测量精度高，结构较复杂
亮度测温仪 宜测辐射率高的物体温度、测温结果低于真实温度 不需温度补偿，结构比较简单，灵敏度稍差
比色测温仪 测辐射率的物体，宜测中高温测2000C－测35000C 结构较复杂，测量误差小，灵敏度较高，受烟雾、灰尘影响小
单色测温仪 宜测高温测6000C－测30000C 结构简单、使用方便、灵敏度高，能抑制某些干扰，波长越短辐射率引起的误差越少，测量精度较高。
（二）通过测温测量所能发现的常见故障
1.轴承损坏。
2.流体系统故障。
3.发热量异常。
4.污染物质积聚。
5.保温材料的损坏。
6.电气元件故障。
7.非金属部件的故障。
8.机件内部缺陷。
9.裂纹探测。
【例题11•单选题】 热电偶（）的说法错误的。（2005）
A.基于热电效应进行温度测量
B.不仅能测量液体、气体内部的温度，还能测量固体表面的温度
C.所产生的热电动势不仅与热电偶材料、两端温度有关，还与热电极长度有关
D.便于远距离和多点测量
答案：C
【例题12•单选题】光电探测器和热敏探测器（ ）。（2006）
A.都能把入射的红外辐射能转变为电能
B.使用起来都同样很方便
C.具有同样高的灵敏度
D.具有同样高的响应速度
答案：A
【例题13•单选题】与金属热电阻温度计相比，半导体热电阻温度计（ ）的说法是错误的。（2007）
A.电阻温度系数大B.电阻率高
C.性能稳定D.互换性差
答案：C
【例题14•单选题】下列温度计中，（ ）属于非接触温度计。（2008）
A.膨胀式温度计B.压力式温度计
C.比色高温计D.半导体热敏电阻温度计
答案：C
四、裂纹的无损探伤法
裂纹是机器零部件最严重的缺陷。裂纹可能在原材料生产、零部件加工以及设备使用等各个阶段产生。
对设备零部件裂纹的检查，主要采用无损探测法。利用无损探测技术不仅能发现机件的裂纹，以及腐蚀、机械性能超差等变化，而且还可以根据机件损伤的种类、形状、大小、产生部位、应力水平、应力方向等信息预测损伤或缺陷发展的趋势，以便及时采取措施，排除隐患。
有多种无损探测法供选用，如目视——光学检测法、渗透探测法、磁粉探测法、射线探测法、超声波探测法、声发射探测法、涡流探测法等。
（一）目视—光学检测法
对于封闭结构内部不能直接观察的零件，主要使用工业内窥镜进行目视——光学检测。
（二）渗透探测法
使着色渗透液或荧光渗透液渗入机件表面开口的裂纹内，然后清除表面的残液，用吸附剂吸出裂纹内的渗透液，从而显示出缺陷图像的一种检验方法。
（三）磁粉探测法
根据探测漏磁场方式的不同，可将磁性探测法分为磁粉探测法、探测线圈法、磁场测定法和磁带记录法。
磁粉探测法所用设备简单，操作方便，检测灵敏度较高，适用于各种形状的钢铁机件，这种探测法可以发现铁磁材料表面和近表面的裂纹，以及气孔、夹杂等缺陷。其缺点是这种探测法不能探测缺陷的深度。
（四）射线探测法
x射线和y射线，主要用来探测机件内部的气孔、夹渣、铸造孔洞等立体缺陷，当裂纹方向与射线平行时也能被探测出来。穿透力强，能够探测很厚的机件。
优点是探测的图像较直观，对缺陷尺寸和性质的判断比较容易，而且探测结果可以记录下来作为诊断档案资料长期保存。
其缺点是，当裂纹面与射线近于垂直时就难以探测出来，对微小裂纹的探测灵敏度低，探测费用较高，射线对人体有害，必须有防护措施。
（五）超声波探测法
可以探测垂直于超声波的金属和非金属材料的平面状缺陷。可探测的厚度大、检测灵敏度高、仪器轻便便于携带、成本低，可实现自动检测，并且超声波对人体无害。
其缺点是探测时有一定的近场盲区、探测结果不能记录、探测中采用的耦合剂易污染产品等。
（六）声发射探测法
1、基本原理
物体在外部条件（如力、热、电、磁等）作用下会发声，根据物体的发声推断物体的状态或内部结构的变化。
2、特点
（1）探测时需要对设备外加应力；
（2）动态检测，在加载或运行状态下进行；
（3）裂纹主动参与，提供裂纹活动的信息；灵敏度高、覆盖面大、不会漏检；
（4）不能反应静态缺陷情况。
（七）涡流探测法
1、原理：
机件中存在损伤时，被监测机件表面的涡流将发生改变，相应的涡流磁场也将改变。
2、特点：
（1）适用范围广，适用于导电材料表面或近表面探伤；灵敏度高，可自动显示报警；
（2）非接触式；
（3）可用于高温探伤；
（4）可用于显示、记录和成像；
（5）深层缺陷难以探测；
（6）影响因素多；
（7）判断缺陷的种类、形状、大小比较困难；
（8）存在边界效应。
【例题15•多选题】静态检测铸铜件表面的裂纹，可采用（ ）。（2006）
A.渗透探测法B.磁粉探测法C.涡流探测法
D.声发射探测法E.目视—光学探测法
答案：ACE
五、磨损的油液污染检测法
根据监测和分析油液中污染物的元素成分、数量、尺寸、形态等物理化学性质的变化，便可以判断是否发生了磨损及磨损程度。常用的方法包括油液光谱分析法、油液铁谱分析法、磁塞检查法。
（一）油液光谱分析法：
1、原理：
利用原子发射光谱或原子吸收光谱分析油液中金属磨损产物的化学成分和含量，从而判断机件磨损的部位和磨损严重程度的一种污染诊断法。
2、特点：
光谱分析法对分析油液中有色金属磨损产物比较适用。 用于早期、精密的磨损诊断。磨屑粒度一般小于10微米。
（二）油液铁谱分析法：
从油样中将微粒分离出来，并按照微粒的大小排列在基片上，通过光学或电子显微镜读出大小微粒的相对浓度，并对微粒的物理性能做出进一步分析。油液铁谱分析能提供磨损产物的数量、粒度、形态和成分四种参数，通过研究即可掌握有关的磨损情况。
（三）磁塞检查法：
用一个带有磁性的金属棒，直接伸到机器内部润滑油的底部，然后把油泥吸上来，用肉眼来观察，用于检查磨损后期磨粒尺寸大于70μm的情况的情况。
【例题16•单选题】下列机件磨损油污检测法所用的装置中，（ ）更适于早期的、精密的磨损诊断。（2007）
A.铁谱分析仪B.光谱分析仪
C.直读式铁谱仪D.磁性塞头
答案：B
重点把握振动、噪声和温度传感器的结构、特点及其应用范围。