鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度影響

摘要:鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶往往會發生測溫精度偏差現象。首先介紹了鎧裝熱電偶的結構和測溫原理,然后結合理論與實驗測試從原材料成分及均勻性、鎧材加工工藝和熱電偶檢測方法等方面對鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度的影響因素進行分析,并提出了提高鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶精度的方法,以指導生產實踐。
　　鎧裝熱電偶是20世紀50年代發展起來的新型測溫熱電偶,最早由瑞士科學家提出并由荷蘭飛利浦電器公司研制成功。與傳統的裝配式熱電偶相比，鎧裝熱電偶具有測溫范圍寬、響應速度快、使用壽命長、機械強度和耐壓性能好等優點,目前已被廣泛應用于航空、航天、船舶、電力、核能、冶金和化工等領域。我國從1966年也開始研制和生產鎧裝熱電偶多家單位實現批量生產。
　　根據國際電工委員會(IEC)分類,鎧裝熱電偶可分為鎳鉻-鎳硅(K)、鎳鉻硅-鎳硅鎂(N)、鎳鉻-銅鎳(E)、鐵-銅鎳(J)和銅-銅鎳(T)等幾類[6]。其中,鎳鉻-鎳硅熱電偶使用溫度范圍廣、塞貝克系數大、靈敏度高、穩定性和均勻性好、抗氧化性能優異,是目前用量最大的廉金屬熱電偶。然而,由于熱電偶直徑較細、結構緊湊、絕緣層薄、高溫下絕緣層絕緣電阻降低,在材料成分、加工工藝或檢測方法不當的情況下,往往會發生測溫精度偏差現象。鎧裝熱電偶的結構和測溫原理,然后結合理論與實驗測試從原材料成分及均勻性、鎧材加工工藝和熱電偶檢測方法幾方面對鎳鉻鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度的影響因素進行分析,并提出了提高鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶精度的方法,以指導生產實踐。
1鎧裝熱電偶的結構
　　鎧裝熱電偶是將帶有無機絕緣物(如MgO.Al2O3等)的熱電偶絲裝人金屬套管內,經特殊工藝拉制成可撓堅實組合體,再按照客戶需求截斷并對測量端和參考端加工制成的熱電偶”。通常有雙芯和四芯兩種結構形式,外徑<2.0mm時一般為雙芯結構,外徑≥2.0mm時為雙芯或四芯結構,如圖1所示。
 
2鎧裝熱電偶測溫原理
　　鎧裝熱電偶的測溫原理是基于材料的熱電效應(塞貝克效應)實現測量。將兩種不同導體A和B串聯組成如圖2所示的閉合回路,溫度t端為感溫端(即測量端),溫度1。端為連接儀表端(即參考端或冷端)。當A和B的t端和to端存在溫差時,就在回路中產生.電動勢EAB(t,t0)并形成電流。熱電勢的大小與1和t0之差的大小有關,即
EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)(1)
　　式中,EAB(t,t0)為熱電偶的熱電勢;Ex(t)是溫度為1時測量端的熱電勢;EAB(t0)是溫度為t0時冷端的熱電勢。因此，只要測出EAB(t,t0)和EAB(t0),經過儀表記錄和計算機處理,即可獲得測量端的溫度t。
 
3鎧裝熱電偶加工工藝
　　鎧裝熱電偶的加工工藝如圖3所示。首先將偶.絲、絕緣材料和外套管組合在一起，采用多道次拉拔變形至成品尺寸制成鎧材，再根據客戶需求截斷并對測量端進行旋鍛、熱處理和彎曲變形，加工成鎧裝熱電偶。
 
4鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度影響因素
　　根據鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶的結構組成、測溫原理和加工工藝流程,并結合實驗分析,影響鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度的因素主要有原材料成分及均勻性旋鍛和熱處理等加工工藝、插人深度和保溫時間等測試方法。
4.1原材料
4.1.1偶絲成分
　　鎳鉻鎳硅鎧裝熱電偶正極(KP)為鎳鉻,名義化學成分為m(Ni):m(Cr)=90:10,負極(KN)為鎳硅，名義化學成分為m(Ni):m(Si)=97:3[9]。根據二元合金相圖(如圖4),Ni-Cr合金和Ni-Si合金在任何溫度點都應呈現均一的單相固溶狀態。然而,由于冶煉純度和冶煉工藝等的影響，合金中往往含有少量的雜質元素如碳、硫磷等,其在固溶體中的溶解度隨溫度的降低而下降。當溫度低于析出溫度Tc時，雜質元素從固溶體中析出,并通過原子擴散運動遷移到晶界處富集形成析出相,從而破壞材料的單一固溶狀態,引起材料熱電勢的變化。
 
　　此外,熱電偶在高溫下使用一段時間后內部晶粒將逐漸長大，合金中少量雜質的位置或形狀也將發生變化,并可能與周圍環境中的氧化或還原性氣氛發生反應,熱電偶的熱電動勢也將極其敏感的發生變化,產生劣化現象。通常,鎳鉻-鎳硅熱電偶的劣化與Cr的選擇性氧化有較大關系。當氧分壓低于某一特定值，.同O2親和力大的Cr將發生選擇性氧化,即Cr含量降低,通過顯微觀察可在外表面氧化層看到綠色析出物,俗稱“綠蝕”。尤其是當溫度在800~1050℃范圍內，體系內又含有CO.H2等還原性氣體時，選擇性氧化更易發生。研究表明,Cr元素含量降低將引起熱電勢偏低[0]。鎧裝熱電偶因使用了保護套管,壽命相對較長，劣化速度較慢,而長期使用也將引起熱電偶測溫精度的變化。
4.1.2偶絲均勻性
　　根據熱電偶回路均質材料定律,若熱電偶由均質導體制成,則其熱電勢只與兩端溫度有關”。然而，事實.上,熱電偶絲并非絕對均質,尤其是鎳鉻鎳硅這種廉金屬熱電偶絲均勻性更低,因而將對熱電偶測溫精度產生影響。通常,造成偶絲不均勻的主要原因有雜質分布不均勻,偶絲冶煉過程中的成分偏析,偶絲表面局部的金屬揮發、氧化或某金屬元素選擇性氧化,測量端在高溫”下的熱擴散,偶絲在有害氣氛中受到玷污和腐蝕，以及反復加工彎曲致使偶絲產生加工畸變等。
4.1.3絕緣物電阻
　　鎧裝熱電偶中絕緣物MgO、Al2O3等絕緣電阻隨溫度升高將急驟下降,從而產生漏電流。漏電流流入儀表,將會使儀表指示不穩或產生測量誤差,從而影響測溫準確性。
4.2加工工藝
4.2.1旋鍛、彎曲變形工藝
　　為提高熱電偶的響應時間并適應不同使用環境，鎧裝熱電偶通常需要進行變截面旋鍛和彎曲變形加工。旋鍛工藝是鎧裝熱電偶生產的特色工藝,屬于冷加工變形,其是利用旋轉鍛壓機通過兩塊錘模在環繞縱軸高速旋轉的同時在滑槽內作周期性的往復運動，對熱電極進行高速高頻率鍛打,結合了鍛造與軋制兩種加工工藝,對提高金屬塑性極為有利。彎曲變形是將鎧材根據使用要求彎曲成不同的形狀,也屬于冷加工變形。然而,在旋鍛和彎曲變形過程中，偶絲中難免發生應力畸變或變形不均勻,因而可能引起熱電偶劣化或特性漂移。加工過程若引起測量端封頭處有微小裂紋產生,可能造成潮濕氣體侵人,從而使測量端偶絲發生緩慢氧化,影響測試精度。
　　選取φ3mm的鎳鉻鎳硅鎧材對5組樣品分別進行2次旋鍛,在保證旋鍛質量的前提下進行精度測試。表1中列出了鎧材原始狀態和旋鍛1、2次后與標準偶測試溫度間的差值,可以看出，旋鍛變形后,鎧材精度發生正偏差,這主要是由于加工不可避免使偶絲產生變形,偶絲內部存在殘余應力,影響材料的均質性,進而影響鎧材的熱電勢。相關研究表明,材料由機械加工產生的內應力可通過后期退火得以消除,從而使測溫精度偏差減小。
 
4.2.2熱處理工藝
　　熱電偶變形加工或偶絲對焊后,為消除殘余應力，通常需要對其進行熱處理以穩定熱電勢。然而,熱處理溫度、保溫時間和冷卻方式對鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶也有較大影響。圖5和圖6分別為φ3mm的鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶經過不同熱處理工藝后測溫精度的變化。可以看出,熱處理工藝參數對鎳鉻鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度影響較大。隨著退火溫度的不斷升高,熱電偶精度呈現急劇下降。隨著熱處理保溫時間的延長,熱電偶精度向負值漂移,但相比退火溫度影響較小。空冷比爐冷對鎧裝熱電偶精度的變化影響更大。這些現象的產生主要與熱處理工藝對偶絲微觀組織和性能產生本質影響有關。
 
4.3測試方法
　　測試方法如插人深度、測試時間等也將直接影響熱電偶測溫精度的校準。當熱電偶插人被測場所時,沿其長度方向將產生熱流,當環境溫度低時會有熱損失,致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產生測溫誤差。圖7為鎳鉻鎳硅鎧裝熱電偶在不同插入深度測試獲得的結果,可以看到熱電偶測溫端放人測溫爐恒溫區不同位置將使其測溫值發生改變。
　　根據熱電偶接觸法測溫原理'5],測溫元件只有與被測對象達到熱平衡，才能真實反應被測溫度。因此測溫時需要保持一定長時間,保溫時間的長短應與測溫元件的熱響應時間匹配，偶絲越細,測量端直徑越小,熱響應時間越短,測溫保溫時間也越短。同時,插入測溫爐內的熱電偶將被高溫物體發出的熱輻射加熱,當熱電偶與爐壁存在較大溫差時,將因能量交換而產生測溫誤差。為了減少熱輻射誤差,應增大熱傳導，并使爐壁溫度盡可能接近熱電偶的溫度。
 
5提高鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶精度方法
　　根據上述對鎳鉻－鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度的影.響因素分析,要使熱電偶測溫達到完全準確是難以實現的，但可通過原材料制備及后續加工處理等方式提高其測溫精度:
①嚴格控制偶絲冶煉及加工生產工藝,保證偶絲成分純凈和均勻性良好;壓實絕緣物,防止漏電流產生對熱電偶測溫精度的影響。
②盡可能避免熱電偶在帶有微量氧的惰性氣體或氧分壓很低的空氣中使用,控制熱電偶生產工藝,降低熱電偶劣化速率。
③制定合適的鎧材熱處理溫度、保溫時間和冷卻方式,并消除旋鍛或彎曲變形工藝引入內應力帶來的對熱電偶測溫精度的影響。
④采用科學合理的熱電偶精度測試方法,保證插入深度、測試時間等參數制定合理有效,減少熱輻射誤差,增大熱傳導,使爐壁溫度盡可能接近熱電偶的溫度。
6結束語
　　結合理論與實驗測試從原材料成分、鎧材加工工藝和熱電偶檢測方法幾方面對鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度的影響因素進行分析,提出了提高鎳鉻－鎳硅鎧裝熱電偶精度的方法，具有一定的生產指導意義。鎳鉻－鎳硅鎧裝熱電偶測溫精度的改變必將引起熱電偶在顯微組織等微觀深層次方面發生改變,也是后續需要進一步探索的工作內容。