如何選擇礦物絕緣熱電偶的護(hù)套

H.L. Daneman, P.E.

簡(jiǎn)介

礦物絕緣金屬護(hù)套(MIMS)熱電偶包含配 套的熱電偶線，這些熱電偶線由通過軋 制、拉伸或旋鍛等方式壓縮直到減小 護(hù)套直徑的絕緣材料（通常是氧化鎂） 包裹。MIMS熱電偶的優(yōu)勢(shì)包括：

• 實(shí)現(xiàn)熱電偶線與周圍環(huán)境的化學(xué)隔離。
• 屏蔽電干擾源對(duì)熱電偶的干擾。
• 熱電偶線和絕緣層免受沖擊損壞。
• 總裝允許彎曲，靈活性。

二十年來，人們夸大了MIMS結(jié)構(gòu)的性能。與非護(hù)套元件相比，MIMS結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)的 情況是：性較低、耐久性較差，且溫 度限制也較低。在400°C (750°F)以上的環(huán) 境中使用時(shí)，含鎳MIMS熱電偶特別容易出 現(xiàn)校準(zhǔn)不穩(wěn)和壽命縮短等問題，而這是使 用和選擇熱電偶時(shí)要著重考慮的因素。

滯后

熱電滯后是導(dǎo)致校準(zhǔn)不穩(wěn)的一個(gè)重要因素。 滯后是鎳鉻合金（如K型）在溫度為200°C 和600°C（常發(fā)生在400°C）之間時(shí)發(fā) 生的一種短期有序／無序現(xiàn)象。其表現(xiàn)是 熱電偶溫度在此溫度范圍內(nèi)周期變化時(shí)， 校準(zhǔn)也會(huì)出現(xiàn)幾度的變化。在200?C和 1000?C（常發(fā)生在750°C）之間加熱或 冷卻時(shí)，N型熱電偶的滯后可高達(dá)5°C。在 900°C時(shí)滯后為2°C到3°C。舉例來說，如 果在500°C以下使用K型熱電偶，可以通過 在450°C時(shí)進(jìn)行整夜退火處理來減少滯后。

氧化

氧化是會(huì)影響校準(zhǔn)的另一種現(xiàn)象。由于氧 化現(xiàn)象，Ni-Cr-AI合金（例如鎳鉻合金*）在500°C以上空氣環(huán)境中的壽命有限。 有一種特殊形式的氧化被稱為"線朽鉻線"(Green Rot)，它是指在含氧量低的環(huán)境（例如空氣有限且不流通的護(hù)套中）中發(fā) 生選擇性鉻氧化。鎳鉻硅的抗氧化溫度高達(dá)約1250?C (2300?F)，并且不會(huì)出現(xiàn)線朽鉻線。

幾種稱為"Nicrobell"(**)的新型護(hù)套材 料都包含鈮含量為1.5%或3.0%的鎳鉻 硅。Nicrobell"A"是為抗氧化而特制的。 另外一種稱為Nicrosil +(***)的護(hù)套材料包 含鎳鉻硅和0.15%的鎂。據(jù)報(bào)告（見參考 文獻(xiàn)4），與一些經(jīng)過測(cè)試的Nicrobell材料 相比，這種材料不易剝落，而且壽命可能 會(huì)更長。

鎳鉻硅本身對(duì)還原氣體（大部分燃燒過程 或許多熱處理過程的產(chǎn)物）的耐受能力不 高。將鎳鉻硅用作護(hù)套材料的其他改造方

法（如Nicrobell B、C和D）可用于應(yīng)對(duì)典 型的非氧化環(huán)境。

污染

影響校準(zhǔn)穩(wěn)定性的第三個(gè)因素是污染。礦物絕緣、一體化設(shè)計(jì)、金屬護(hù)套熱電偶背后的理念是，對(duì)包裹熱電偶線和填充護(hù) 套的極細(xì)礦物氧化物（通常為氧化鎂）絕緣層進(jìn)行均勻壓縮能密封內(nèi)部空間，從而污染。通過旋鍛、軋制或拉伸壓縮 的絕緣體85%左右是固體材料。這很有用，因?yàn)楣懿目梢詮澢?，也可以制造直徑更小的組件。但是，它確實(shí)可能發(fā)生氣 體（如水蒸氣或空氣）侵入的現(xiàn)象。組成熱電偶線或護(hù)套的元件也可能發(fā)生蒸汽擴(kuò)散。Bentley和Morgan斷定，透過氧化鎂 絕緣層的錳蒸汽相擴(kuò)散對(duì)熱電偶校準(zhǔn)的影響大。

金屬疲勞

金屬疲勞是熱電偶?jí)勖s短的另一個(gè)原因。護(hù)套和熱電偶線之間的溫度線性膨脹系數(shù)差異能導(dǎo)致加熱或冷卻時(shí)發(fā)生應(yīng)變。這些 應(yīng)變會(huì)因金屬疲勞終導(dǎo)致斷裂。加熱到900?C時(shí)，鎳硅電偶合金與304不銹鋼的熱膨脹差異為長度的0.4%。鎳鉻硅與鎳硅 （支腿容易斷裂）相比，兩者的膨脹系數(shù)差0.05%。因此，對(duì)于N型熱電偶的支腿來說，鎳鉻硅、Nicrosil+或Niobell制成 的護(hù)套比不銹鋼護(hù)套的抗金屬疲勞性要好。

成分

不銹鋼護(hù)套熱電偶的成分變化通常高于Inconel (****)護(hù)套熱電偶。Anderson等人進(jìn)行的測(cè)試表明，KN支腿會(huì)出現(xiàn)鉻元素增

加，鋁元素減少。這些成分變化是導(dǎo)致熱電偶發(fā)生校準(zhǔn)變化的主要因素。

大多數(shù)不銹鋼的含錳量為1%到2%。304不銹鋼的含錳量約為2%。其他不銹鋼的錳濃度在1%到10%之間。Inconel的含錳 量高達(dá)1%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在1100?C時(shí)持續(xù)1000小時(shí)，護(hù)套材料中每1%的錳能導(dǎo)致出現(xiàn)-10?C的校準(zhǔn)偏移。根據(jù)Bentley的測(cè)試， 在1200?C時(shí)，直徑為3 mm的N型不銹鋼護(hù)套在1000小時(shí)內(nèi)漂移-24?C。

濕度

護(hù)套內(nèi)的水蒸氣會(huì)產(chǎn)生多方面的影響。它能迅速被氧化鎂吸收，從而降低絕緣電阻。濕氣侵入可以在短短幾分鐘之內(nèi)毀掉 MIMS熱電偶組件。輕而言之，它會(huì)鎳鉻合金表面的氧化涂層，進(jìn)而加速損壞熱電偶組件。因水蒸氣而導(dǎo)致的變化 后果非常嚴(yán)重，能使絕緣電阻降低，足以使受影響的熱電偶失效。絕緣電阻降低，能導(dǎo)致形成開路后出現(xiàn)具誤導(dǎo)性的溫度讀 數(shù)、提早失效，甚讀數(shù)錯(cuò)誤。

在熱電偶制造或維修過程中可以引入水蒸氣，甚會(huì)因空運(yùn)或在建筑工地長期存儲(chǔ)（例如六個(gè)月）過程中產(chǎn)生的氣壓變化而引入水蒸氣。

建議

雖然上述內(nèi)容未提及，但這些熱電偶材料的直徑與高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和長壽命之間存在著一定的關(guān)系。在高溫環(huán)境下，支 撐電加熱器的磚表面會(huì)變?yōu)閷?dǎo)體。這會(huì)導(dǎo)致電流通過熱電偶護(hù)套（也可能通過測(cè)量儀器）傳導(dǎo)到地面。

圖1. 1200°C真空環(huán)境中直徑3 mm不銹鋼護(hù)套及Inconel 600護(hù)套K型和鎳鉻硅熱電偶 漂移與鎳硅熱電偶漂移的比較。漂移曲線中的波谷是"地非均勻性測(cè)試"的結(jié)果，測(cè)試取樣是從爐中取出的5 cm。

圖2. 維持在1100°C的N型熱電偶的原位漂移。曲線分別表示空氣中帶有外徑為3mm的310 不銹鋼(SS)或鎳鉻硅(NCR)護(hù)套的礦物絕緣金屬護(hù)套熱電偶，以及1.6mm裸線熱電偶。后者的漂移范圍也已指明。

應(yīng)避免在溫度較高或腐蝕性的工業(yè)環(huán) 境中使用精細(xì)的金屬護(hù)套熱電偶（細(xì)到1 mm）。

對(duì)礦物絕緣、金屬護(hù)套的熱電偶來說，與鎳鉻熱電偶（如K型或N型）配合使用時(shí)，不銹鋼護(hù)套的比Inconel 600或改 良的鎳鉻硅護(hù)套差。改良的鎳鉻硅護(hù)套熱電偶可在高達(dá)1100°C（N型為1200°C到1250°C）時(shí)提供更強(qiáng)的抗氧化能力、降低 因熱膨脹差異導(dǎo)致的故障、延展性并因不銹鋼或Inconel中錳的蒸汽擴(kuò)散引起的漂移問題。

考慮到較新材料的供貨現(xiàn)狀，用戶可以選擇低錳（0.3%或更少）Inconel金屬護(hù)套K型MIMS熱電偶，直到改良的鎳鉻硅金屬 護(hù)套K型或N型及相應(yīng)的支持?jǐn)?shù)據(jù)成熟。

(*) CHROMEL是Hoskins Manufacturing Co.的商標(biāo)。

(**) NICROBELL是NICROBELL Pty. Ltd的商標(biāo)。NICROBELL護(hù)套合金已在包 括美國在內(nèi)的多個(gè)／地區(qū)獲得權(quán)。

(***) NICROSIL +是Pyrotenax Australia Pty Ltd的商標(biāo)。

(****) NCONEL是International Nickel Co.的商標(biāo)。

經(jīng)H.L. Daneman P.E許可轉(zhuǎn)載，電子：hankdan@comcast.net

參考文獻(xiàn)

1. Anderson, R. L., Ludwig, R.L.,FAILURE OF SHEATHED THERMOCOUPLES DUE TO THERMAL CYCLING,Temperature, (1982) pp 939-951
2. Anderson, R. L., Lyons, J. D.,Kollie, T G., Christie, W. H., Eby,R., DECALIBRATION OF SHEATHED THERMOCOUPLES, Temperature, (1982) pp 977-1007
3. Bentley, R. E., NEW-GENERATION TEMPERATURE PROBES, Materials Australasia, April (1987), pp. 10-13
4. Bentley, R. E., THEORY AND PRACTICE OF THERMOELECTRIC THERMOMETERY, 2nd Edition, CSIRO Div. of Applied Physics, (1990) 152 pages.
5. Bentley, R.E., private communication, 11/22/90
6. Burley, N. A., HIGHLY STABLE NICKEL-BASE ALLOYS FOR THERMOCOUPLES, J. of the Australian Institute of Metals, May (1972), pp 101-113
7. Burley, N. A., Burns, G. W., Powell, R. L., NICROSIL AND NISIL: THEIR DEVELOPMENT AND STANDARDIZATION, Inst. Physical Conf. Ser. No. 26, (1975), pp 162-171
8. Burley, N. A., Jones, T.P.,PRACTICAL PERFORMANCE OF NICROSIL-NISIL THERMOCOUPLES, Inst. Physical Conf. Ser. No. 26, (1975), pp 172-180
9. Burley, N. A., Powell, R. L., Burns,G. W., Scroger, M. G., THE NICROSIL VS NISIL THERMOCOUPLE:PROPERTIES AND THERMOELECTRIC DATA, NBS Monograph 161, April (1978), pp 1-156
10. Burley, N. A., THE NICROSIL VS NISIL THERMOCOUPLE: THE FIRSTTWO DECADES, (1986) privatecommunication
11. Burley, N. A., N-CLAD-N: A NOVEL ADVANCED TYPE N INTEGRALLY-0 SHEATHED THERMOCOUPLE OF ULTRA-HIGH THERMOELECTRICSTABILITY, High Temperatures-High Pressures, (1986) pp 609-616
12. Burley, N. A., NICROSIL/NISIL TYPE N THERMOCOUPLE, Measurements & Control, April (1989),pp 130-133
13. Burley, N. A., ADVANCED INTEGRALLY SHEATHED TYPE N THERMOCOUPLE OF ULTRA-HIGH THERMOELECTRIC STABILITY, Measurement, Jan-Mar 1990, pp 36-41
14. Daneman, H. L., THERMOCOUPLES, Measurements & Control, June (1988), pp 242-243
15. Frank, D.E., AS TEMPERATURES INCREASE, SO DO THE PROBLEMS!, Measurements & Control, June (1988), p 245
16. Hobson, J. W., THE INTRODUCTION OF THE NICROSIL/NISIL THERMOCOUPLES IN AUSTRALIA, Australian Journal of Instrumentation and Control, October (1982), pp 102-104
17. Hobson, J. W., THE K TO N TRANSITION - BUILDING ON SUCCESS, Australian Journal of Instrumentation and Control, (1985) pp 12-15
18. Northover, E. W., Hitchcock, J. A., A NEW HIGH-STABILITY NICKEL ALLOY, Instrument Practice, September (1971), pp 529-531
19. Paine, A., TYPE N AND K MIMS T/C’S, LNA5195, 11/23/90
20. Wang, T P., Starr, C. D., NICROSIL- NISIL THERMOCOUPLES IN PRODUCTION FURNACES, ISA (1978) Annual conference, pp 235-254
21. Wang, T. P., Starr, C. D., EMF STABILITY OF NICROSIL-NISIL AT 500?C, ISA (1978) Annual conference, pp 221-233

經(jīng)H.L. Daneman, P.E.許可轉(zhuǎn)載