如何選擇礦物絕緣熱電偶的護套

H.L. Daneman, P.E.

簡介

礦物絕緣金屬護套(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 護套直徑的絕緣材料（通常是氧化鎂） 包裹。MIMS熱電偶的優(yōu)勢包括：

• 實現(xiàn)熱電偶線與周圍環(huán)境的化學隔離。
• 屏蔽電干擾源對熱電偶的干擾。
• 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，含鎳MIMS熱電偶特別容易出 現(xiàn)校準不穩(wěn)和壽命縮短等問題，而這是使 用和選擇熱電偶時要著重考慮的因素。

滯后

熱電滯后是導(dǎo)致校準不穩(wěn)的一個重要因素。 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， 校準也會出現(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，N型熱電偶的滯后可高達5°C。在 900°C時滯后為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時進行整夜退火處理來減少滯后。

氧化

氧化是會影響校準的另一種現(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套中）中發(fā) 生選擇性鉻氧化。鎳鉻硅的抗氧化溫度高達約1250?C (2300?F)，并且不會出現(xiàn)線朽鉻線。

幾種稱為"Nicrobell"(**)的新型護套材 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 +(***)的護套材料包 含鎳鉻硅和0.15%的鎂。據(jù)報告（見參考 文獻4），與一些經(jīng)過測試的Nicrobell材料 相比，這種材料不易剝落，而且壽命可能 會更長。

鎳鉻硅本身對還原氣體（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。將鎳鉻硅用作護套材料的其他改造方

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

污染

影響校準穩(wěn)定性的第三個因素是污染。礦物絕緣、一體化設(shè)計、金屬護套熱電偶背后的理念是，對包裹熱電偶線和填充護 套的極細礦物氧化物（通常為氧化鎂）絕緣層進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，因為管材可以彎曲，也可以制造直徑更小的組件。但是，它確實可能發(fā)生氣 體（如水蒸氣或空氣）侵入的現(xiàn)象。組成熱電偶線或護套的元件也可能發(fā)生蒸汽擴散。Bentley和Morgan斷定，透過氧化鎂 絕緣層的錳蒸汽相擴散對熱電偶校準的影響大。

金屬疲勞

金屬疲勞是熱電偶壽命縮短的另一個原因。護套和熱電偶線之間的溫度線性膨脹系數(shù)差異能導(dǎo)致加熱或冷卻時發(fā)生應(yīng)變。這些 應(yīng)變會因金屬疲勞終導(dǎo)致斷裂。加熱到900?C時，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，對于N型熱電偶的支腿來說，鎳鉻硅、Nicrosil+或Niobell制成 的護套比不銹鋼護套的抗金屬疲勞性要好。

成分

不銹鋼護套熱電偶的成分變化通常高于Inconel (****)護套熱電偶。Anderson等人進行的測試表明，KN支腿會出現(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1%。根據(jù)經(jīng)驗，在1100?C時持續(xù)1000小時，護套材料中每1%的錳能導(dǎo)致出現(xiàn)-10?C的校準偏移。根據(jù)Bentley的測試， 在1200?C時，直徑為3 mm的N型不銹鋼護套在1000小時內(nèi)漂移-24?C。

濕度

護套內(nèi)的水蒸氣會產(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，它會鎳鉻合金表面的氧化涂層，進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)錯誤。

在熱電偶制造或維修過程中可以引入水蒸氣，甚會因空運或在建筑工地長期存儲（例如六個月）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變?yōu)閷?dǎo)體。這會導(dǎo)致電流通過熱電偶護套（也可能通過測量儀器）傳導(dǎo)到地面。

圖1. 1200°C真空環(huán)境中直徑3 mm不銹鋼護套及Inconel 600護套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"地非均勻性測試"的結(jié)果，測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)護套的礦物絕緣金屬護套熱電偶，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) 境中使用精細的金屬護套熱電偶（細到1 mm）。

對礦物絕緣、金屬護套的熱電偶來說，與鎳鉻熱電偶（如K型或N型）配合使用時，不銹鋼護套的比Inconel 600或改 良的鎳鉻硅護套差。改良的鎳鉻硅護套熱電偶可在高達1100°C（N型為1200°C到1250°C）時提供更強的抗氧化能力、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金屬護套K型MIMS熱電偶，直到改良的鎳鉻硅金屬 護套K型或N型及相應(yīng)的支持數(shù)據(jù)成熟。

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

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

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

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

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

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