N型热电偶热电势稳定性

摘要:N型热电偶是近20年廉金属热电偶合金材料研究方面取得的重要成果,有明显的优点。而作为温度传感器,热电偶在长期使用过程中的热电稳定性是人们最为关心的问题。通过对N型热电偶合金丝及N型铠装热电偶的长期稳定性试验的考核,结果无论是用氧化铝绝缘的裸丝N型热电偶,还是铠装N型热电偶,在有关标准推荐的长期最高工作温度下试验,热电偶均呈现了良好的长期稳定性。故表明N型铠装热电偶的长期稳定性能良好,大有取代K型热电偶成为工业测温的主要热电偶品种的趋势。
1引言
      N型热电偶是近20年廉金属热电偶合金材料研究方面取得的重要成果。同已在工业上广泛使用的K型热电偶相比,有着明显优点:(1)N型热电偶克服了K型热电偶在250~650℃由于短程“有序无序”转变造成的测量误差;(2)N型热电偶克服了K型热电偶在150~260℃范围内发生磁性转变而引起的热电势活动;(3)正极Cr、Si含量的提高和Mn元素的加人，以及负相Si含量的增加,大大增强了含量的抗氧化能力,有利于提高其使用寿命。因此N型热电偶大有取代K型热电偶成为工业测温的主要热电偶品种的趋势。
      作为温度传感器,热电偶在长期使用过程中的热电稳定性是人们最为关心的性能指标。铠装热电偶所处的环境温度及其分布,以及套管、绝缘材料等都会对热电偶的长期稳定性造成影响。我们试验研究了N型热电偶合金丝及N型铠装热电偶的长期稳定性试验,观察其热电势漂移情况。本实验获得的N型热电偶稳定性数据,对N型热电偶的应用有-定的参考价值。
2实验
2.1实验材料
      热电偶合金丝选用的N型热电偶丝性能热电性能符合IEC580标准,其化学成分见表1,偶丝直径为ϕ3.2mm.ϕ2.0mm两种

      进行热电偶丝稳定性实验的样品采用商用氧化铝瓷珠绝缘。制作铠装热电偶的绝缘材料采用电熔MgO,电熔MgO的杂质见表2。

      制作铠装热电偶的套管材料选用GH140、GH3030两种合金,合金成份见表3。

2.2试样制备
      截取1m长的N型热电偶丝,用氩弧焊机将正负极偶丝焊接在一起,形成光亮球型的测量端,将焊好的偶丝穿人氧化铝绝缘瓷珠,即制成偶丝稳定性实验样品，ϕ3.2mm和ϕ2.0mm各两只。将高纯电熔氧化镁烧成的瓷柱、N型偶丝分别用=GH3030、GH140套管组装,然后经多次拉拔和退火制成ϕ4mm的铠装热电偶电缆。在上述铠装热电偶电缆中取样,制成1m长的铠装热电偶样品。为减少杂质元素和干扰,热电偶测量端为绝缘型,冷端用环氧树脂密封。样品的绝缘电阻见表4.
2.3实验与结果
      将热电偶试样置于GL-4型热电偶检定炉,炉子由温控仪自动控制,控温精度为±0.5℃。测试用0.01级UJ-51型低电势直流电位差计和0.5级AC15/5型直流复射式检流计测量。冷端置于冰点槽,用比较法测量热电势。

      先将炉温升至实验温度,测量热电动势,每隔1h测量一次,待两次测试结果ΔE<60μV时,确定为稳定性试验的起点,以起点时的电势作参考,计算电势漂移。
图1是ϕ3.2mmN型偶丝的长期稳定性数据,图2是ϕ2mmN型偶丝的长期稳定性数据,图3是ϕ4.0mm铠装N型热电偶的长期稳定性数据。

4实验结果与讨论
      无论是用氧化铝绝缘的裸丝N型热电偶,还是铠装N型热电偶，在有关标准推荐的长期最高工作温度下试验1000h(42天),热电偶均呈现了良好的长期稳定性。主要是因为:(1)在N型热电偶的正极中增加Cr,Si含量,使镍铬合金的氧化模式由内氧化转变成外氧化,致使氧化反应仅在表面进行;(2)又在负极中增添溶质元素Mg与Si,尽管Si含量增大要降低热电动势,但可使金属与氧化物间的钝化膜更加致密。并因Mg与Si择优氧化形成扩散势垒,阻止“绿蚀”现象向内部扩散,抑制进一步氧化发生。因此,它的高温稳定性与使用寿命较目前常用的K型热电偶明显提高。

      常用高温合金与N型热电偶丝和氧化镁绝缘陶瓷的相容性好,铠装后对热电偶的热电性能影响不大。
5结论
      N型热电偶偶丝以及铠装N型热电偶,在有关标准推荐的长期最高工作温度下试验,均呈现了良好的长期稳定性。故表明N型铠装热电偶的长期稳定性能良好,大有取代K型热电偶成为工业测温的主要热电偶品种的趋势。