德国MESA热处理气氛测量与控制技术概述

德国MESA热处理气氛测量与控制技术概述

在工业热处理领域，精确测量和控制炉内气氛是保证产品质量、提升工艺稳定性和实现高效生产的关键环节。来自德国的MESA Electronic GmbH（常称“MESA"）自1973年成立以来，便专注于这一领域，提供从传感器到完整控制系统的系列化产品。其技术核心围绕对炉内氧含量、碳势、氮势及多种气体成分的精确分析，广泛应用于需要对金属材料进行渗碳、渗氮、保护气氛加热等处理的工业场景。

MESA的产品体系不仅限于单一的测量元件，更构建了一套完整的测量与控制生态系统，旨在为复杂的热处理工艺提供可靠的解决方案。

一、 产品类型与主要型号

MESA的产品线可按其功能划分为四大类，每一类下包含多种具体产品与型号，以满足不同客户和工艺的需求。

二、 核心产品技术介绍：以氧探头与碳势控制为例

在MESA的产品序列中，用于直接或间接测量氧含量的传感器是整个控制系统的基础。

1. 产品简介与工作原理

MESA的氧探头主要基于氧化锆（ZrO₂）技术。其核心部件是一种在高温下能传导氧离子的固态电解质陶瓷管。工作时，陶瓷管内外两侧暴露在不同氧分压的气氛中（内侧通入参比空气，外侧接触炉气），由于氧浓度的差异，会产生一个与温度、氧浓度差相关的电动势，即能斯特（Nernst）电压。通过测量这个电压值，并结合热电偶测得的探头温度，即可计算出炉气中的氧含量。进一步，在已知炉内一氧化碳（CO）含量等参数的情况下，该信号可被换算为碳势（Cp）值，从而实现对渗碳等工艺的精确控制。

2. 主要技术形式与参数

MESA提供两种主流的氧测量方案，以适应不同的工况条件：

直插式氧探头：将氧化锆元件直接插入炉膛内部，利用炉膛本身的高温（700-1050℃）使探头工作。这种方式响应速度快，对气氛变化反应直接。

响应时间：对于氧气的典型响应时间约1秒。

使用寿命：在常规工况下，使用寿命可达数年以上。

取样式（Lambda）传感器：通过取样管将炉气引出，送入一个独立的、温度恒定的测量室进行分析。这种方式的优势在于探头核心部件不直接暴露在炉内高温区域。

工作温度范围：测量室本身工作在稳定温度下，但可对高达1200℃甚至1600℃以上的炉气进行取样测量。

使用寿命：由于工作环境相对温和稳定，其核心的Lambda探头模块寿命更长。

三、 技术方案的特点

综合其产品设计与应用反馈，MESA的技术方案在以下几个方面表现出一定的适用性。

1. 较长的运行周期与维护便利性：特别是取样式Lambda传感器设计，其测量室与高温炉气分离，核心部件老化速度减慢。采用模块化设计，在需要维护时，通常只需更换顶部的探头模块，操作时间较短，且无需等待炉体冷却，有助于减少设备停机时间。

2. 对复杂工况的适应性：提供直插与取样两种技术路径，使用户可以根据自家炉型（如井式炉、箱式多用炉）和工艺温度灵活选择。取样式设计降低了对探头安装位置的限制，避免了工件碰撞或富化气直吹的影响。

3. 系统的集成与兼容性：MESA不仅提供传感器，也提供配套的碳控仪、氮控仪及分析仪。其控制系统（如Carbo-M， Carbomat-M）能够直接处理Lambda探头的原始信号进行计算，减少了信号转换环节。此外，其探头和仪表输出标准信号（如0-1300mV， 4-20mA），能够与市场上主流的PLC或DCS系统以及多种品牌的热处理炉配合工作。

4. 测量的响应速度：基于氧化锆原理的传感器，其电化学反应速度较快，能够对炉内气氛的变化做出迅速反馈，这有利于实现更及时和精确的工艺控制。

四、 主要应用领域

MESA的测量与控制技术主要服务于需要精确气氛管理的工业热处理过程，具体应用包括：

1. 化学热处理工艺控制：这是最核心的应用领域，包括气体渗碳、碳氮共渗的气氛碳势控制，以及气体渗氮、氮碳共渗的氮势控制。通过连续监测氧含量或氢含量，间接或直接计算并调节碳势/氮势，确保零件表面达到预期的硬度、耐磨性和疲劳强度。

2. 保护性气氛热处理：在零件的无氧化淬火、退火、钎焊等过程中，用于监控并维持炉内保护性气氛（如放热式、吸热式气氛）的稳定，防止工件表面氧化脱碳。

3. 工业炉燃烧效率监测与优化：通过对锅炉、加热炉等排放烟气中氧含量的连续监测，帮助操作人员调整空燃比，实现更充分、更经济的燃烧，达到节能和降低排放的目的