矿物绝缘热电偶护套的选择方法

选择矿物绝缘热电偶护套H.L. Daneman，P.E .介绍的方法

矿物绝缘金属护套( MIMS )热电偶由一组用绝缘材料(通常为氧化镁)包复的热电偶线材构成，该绝缘材料通过轧制、拉伸或旋转等压缩至护套直径变小。 MIMS热电偶的优点包括:

实现热电偶线与周围环境的化学隔离。 切断从电噪声源到热电偶的噪声。 保护热电偶线和绝缘层免受冲击。 较终组件允许弯曲，灵活。 20年来，人们夸大了MIMS结构的性能。 MIMS结构与非复盖元件相比，可靠性低、耐久性差、温度限制也频繁发生。 400°； C (750°； f )在以上环境下使用时，含镍MIMS热电偶特别容易发生校准不稳定和寿命缩短等问题，这是热电偶使用和选择时应重点考虑的因素。

滞后现象

热电磁滞是导致校准不稳定的重要因素之一。 滞后现象是镍铬合金( k型等)的温度为200°； c和600°； C(zui始终为400°； c )之间发生的短期秩序/无序现象。 其表现为，当热电偶的温度在该温度范围内周期性变化时，校准中也出现几度的变化。 200˚C和1000˚C(zui始终为750°； c )间加热或冷却时，n型热电偶的滞后为5°； c。 900°； c时滞为2°； c至3°； c。 例如500°； c以下使用k型热电偶，450°； c时整夜进行退火处理，减少滞后现象。

氧化反应

氧化是影响校准的另一种现象。 由于氧化现象，Ni-Cr-AI合金(例如镍铬合金* )为500°； 在c以上的空气环境中寿命有限。 某种特殊形式的氧化被称为“线朽铬线”，意味着在氧含量低的环境(例如空气有限流通的护套)中发生选择性的铬氧化。 镍铬合金的抗氧化温度高达约1250˚C (2300˚F )，不出现线朽铬线。

一些新的称为“Nicrobell"(** )的护套材料含有铌含量为1.5%或3.0%的镍铬合金。 Nicrobell"A "是为了抗氧化而特制的。 另一种称为Nicrosil +(*** )的护套材料含有0.15%的镍铬合金和镁。 据报告(参照参考文献4 )，该材料与被测试的Nicrobell材料相比，难以剥离，寿命有可能变长。

镍铬合金对还原气体(大部分燃烧过程和许多热处理过程的产物)的耐性低。 使用镍铬合金作为护套材料的其他改造对象

诸如Nicrobell B、c和d之类的法律可以处理典型的非氧化环境。

污染

影响校准稳定性的第三个因素是污染。 矿物绝缘、一体化设计、金属护套热电偶背后的理念是通过均匀压缩填充热电偶线和护套的超细矿物氧化物(通常为氧化镁)绝缘层来密封内部空间，消除污染。 通过旋压、轧制或拉伸压缩的绝缘体的85%左右为固体材料。 这是很有用的，因为管材可以弯曲，也可以建立更小的组件。 但是水蒸气和空气等气体可能会侵入。 构成热电偶线和护套的设备也可能发生蒸汽扩散。 Bentley和Morgan判断透过氧化镁绝缘层的锰蒸气相扩散对热电偶校正的影响zui很大。

金属疲劳

金属疲劳是热电偶寿命缩短的另一个原因。 护套与热电偶线之间的温度线膨胀系数的差异会在加热或冷却时产生变形。 这些应变终于被金属疲劳zui破裂。 加热到900˚C时，镍硅电子合金和304不锈钢的热膨胀差为长度的0.4%。 镍铬与镍硅(脚zui容易断裂)相比，两者的膨胀系数差仅为0.05%。 因此，在n型热电偶的脚中，镍铬合金、Nicrosil+或Niobell制的护套比不锈钢护套的耐金属疲劳性好。

成分

不锈钢护套热电偶的成分变化通常高于镍铬合金( *** )护套热电偶。 根据Anderson等人进行的测试，KN脚中铬元素增加

此外，铝元素减少。 这些成分变化是引起热电偶校准变化的主要原因。

大多数不锈钢的锰含量为1%到2%。 304不锈钢的锰含量约为2%。 其他不锈钢的锰浓度在1%到10%之间。 Inconel的锰含量高达1%。 根据经验，1100˚C时持续1000小时，护套材料中锰的1%会引起-10˚C的校正偏差。 根据Bentley的测试，直径为3 mm的n型不锈钢护套在1000小时内漂移到-24˚C。

湿度

鞘内的水蒸气有多方面的影响。 被氧化镁快速吸收，可以降低绝缘电阻.。 潮气的侵入只需几分钟就能破坏MIMS热电偶模块。 简而言之，它会破坏镍铬合金表面的氧化保护涂层，加速热电偶组件的破坏。 水蒸气变化的结果非常严重，可以降低绝缘电阻，足以使受影响的热电偶发生故障。 如果绝缘电阻降低，开路后会产生误解性的温度读取数，可能会提前发生故障，导致读取错误。

在热电偶的制造和维护过程中可以导入水蒸气，也可以通过空运和建设现场长期贮藏(如6个月)过程中产生的气压变化导入水蒸气。

建议

上文没有提及，这些热电偶材料的直径与高温环境下的稳定性和长寿命有一定的关系。 在高温环境下，支撑电加热器的砖的表面成为导体。 由此，电流通过热电偶护套(也可通过测量仪器)传递到地板。

图1. 1200°； c真空环境下直径3 mm不锈钢护套及镍铬合金600护套k型与镍铬合金热电偶漂移和镍硅热电偶漂移的比较。 漂移曲线的波谷是“定位不均匀性测试”的结果，测试样品是从炉中取出的5 cm。

维持在图1100°的c的n型热电偶的insitu漂移。 曲线表示空气中带有外径为3mm的310不锈钢( SS )或镍铬合金( NCR )护套的矿物绝缘金属护套热电偶和1.6mm线材热电偶。 后者的漂移范围也明确了。

请勿在温度高的工业环境或腐蚀性工业环境中使用zui细的金属护套热电偶(细至1 mm )。

在矿物绝缘、金属护套的热电偶中并用镍铬热电偶(例如k型或n型)时，不锈钢护套的效果比镍铬合金600或改良的镍铬合金差。 改进的镍铬耐热合金热电偶可以达到1100°型为1200°； c至1250°； c )提供更强的抗氧化能力，减少热膨胀差异引起的故障，提高延展性，消除不锈钢和镍铬合金中锰的蒸汽扩散引起的漂移问题。

考虑到新材料的供应现状，用户选择低锰(0.3%以下)镍铬合金护套k型MIMS热电偶，直到改进的镍铬合金护套k型或n型及其相应的支持数据成熟。

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

( **) NICROBELL是NICROBELL Pty. Ltd的商标。 NICROBELL铠装合金在包括美国在内的很多国家都享有权利。

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

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

经H.L. Daneman P.E许可转载，电子:汉克dan@comcast.net

参考文献

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