N型熱電偶熱電勢穩定性

摘要:N型熱電偶是近20年廉金屬熱電偶合金材料研究方面取得的重要成果,有明顯的優點。而作為溫度傳感器,熱電偶在長期使用過程中的熱電穩定性是人們最為關心的問題。通過對N型熱電偶合金絲及N型鎧裝熱電偶的長期穩定性試驗的考核,結果無論是用氧化鋁絕緣的裸絲N型熱電偶,還是鎧裝N型熱電偶,在有關標準推薦的長期最高工作溫度下試驗,熱電偶均呈現了良好的長期穩定性。故表明N型鎧裝熱電偶的長期穩定性能良好,大有取代K型熱電偶成為工業測溫的主要熱電偶品種的趨勢。
1引言
      N型熱電偶是近20年廉金屬熱電偶合金材料研究方面取得的重要成果。同已在工業上廣泛使用的K型熱電偶相比,有著明顯優點:(1)N型熱電偶克服了K型熱電偶在250~650℃由于短程“有序無序”轉變造成的測量誤差;(2)N型熱電偶克服了K型熱電偶在150~260℃范圍內發生磁性轉變而引起的熱電勢活動;(3)正極Cr、Si含量的提高和Mn元素的加人，以及負相Si含量的增加,大大增強了含量的抗氧化能力,有利于提高其使用壽命。因此N型熱電偶大有取代K型熱電偶成為工業測溫的主要熱電偶品種的趨勢。
      作為溫度傳感器,熱電偶在長期使用過程中的熱電穩定性是人們最為關心的性能指標。鎧裝熱電偶所處的環境溫度及其分布,以及套管、絕緣材料等都會對熱電偶的長期穩定性造成影響。我們試驗研究了N型熱電偶合金絲及N型鎧裝熱電偶的長期穩定性試驗,觀察其熱電勢漂移情況。本實驗獲得的N型熱電偶穩定性數據,對N型熱電偶的應用有-定的參考價值。
2實驗
2.1實驗材料
      熱電偶合金絲選用的N型熱電偶絲性能熱電性能符合IEC580標準,其化學成分見表1,偶絲直徑為?3.2mm.?2.0mm兩種

      進行熱電偶絲穩定性實驗的樣品采用商用氧化鋁瓷珠絕緣。制作鎧裝熱電偶的絕緣材料采用電熔MgO,電熔MgO的雜質見表2。

      制作鎧裝熱電偶的套管材料選用GH140、GH3030兩種合金,合金成份見表3。

2.2試樣制備
      截取1m長的N型熱電偶絲,用氬弧焊機將正負極偶絲焊接在一起,形成光亮球型的測量端,將焊好的偶絲穿人氧化鋁絕緣瓷珠,即制成偶絲穩定性實驗樣品，?3.2mm和?2.0mm各兩只。將高純電熔氧化鎂燒成的瓷柱、N型偶絲分別用=GH3030、GH140套管組裝,然后經多次拉拔和退火制成?4mm的鎧裝熱電偶電纜。在上述鎧裝熱電偶電纜中取樣,制成1m長的鎧裝熱電偶樣品。為減少雜質元素和干擾,熱電偶測量端為絕緣型,冷端用環氧樹脂密封。樣品的絕緣電阻見表4.
2.3實驗與結果
      將熱電偶試樣置于GL-4型熱電偶檢定爐,爐子由溫控儀自動控制,控溫精度為±0.5℃。測試用0.01級UJ-51型低電勢直流電位差計和0.5級AC15/5型直流復射式檢流計測量。冷端置于冰點槽,用比較法測量熱電勢。

      先將爐溫升至實驗溫度,測量熱電動勢,每隔1h測量一次,待兩次測試結果ΔE<60μV時,確定為穩定性試驗的起點,以起點時的電勢作參考,計算電勢漂移。
圖1是?3.2mmN型偶絲的長期穩定性數據,圖2是?2mmN型偶絲的長期穩定性數據,圖3是?4.0mm鎧裝N型熱電偶的長期穩定性數據。

4實驗結果與討論
      無論是用氧化鋁絕緣的裸絲N型熱電偶,還是鎧裝N型熱電偶，在有關標準推薦的長期最高工作溫度下試驗1000h(42天),熱電偶均呈現了良好的長期穩定性。主要是因為:(1)在N型熱電偶的正極中增加Cr,Si含量,使鎳鉻合金的氧化模式由內氧化轉變成外氧化,致使氧化反應僅在表面進行;(2)又在負極中增添溶質元素Mg與Si,盡管Si含量增大要降低熱電動勢,但可使金屬與氧化物間的鈍化膜更加致密。并因Mg與Si擇優氧化形成擴散勢壘,阻止“綠蝕”現象向內部擴散,抑制進一步氧化發生。因此,它的高溫穩定性與使用壽命較目前常用的K型熱電偶明顯提高。

      常用高溫合金與N型熱電偶絲和氧化鎂絕緣陶瓷的相容性好,鎧裝后對熱電偶的熱電性能影響不大。
5結論
      N型熱電偶偶絲以及鎧裝N型熱電偶,在有關標準推薦的長期最高工作溫度下試驗,均呈現了良好的長期穩定性。故表明N型鎧裝熱電偶的長期穩定性能良好,大有取代K型熱電偶成為工業測溫的主要熱電偶品種的趨勢。