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新开发的热电偶系统杜绝了MIMS热电偶的使用缺陷

来源:发表时间:2019-05-08


    介绍
    矿物绝缘金属护套热电偶是在30多年前推出的,代表了热电偶技术的一项重大进步,它已成为75年来最常用的测量温度的方法。矿物绝缘金属护套热电偶采用紧凑型设计,其中热电偶安装在受保护的环境中。然而,随着对更高水平的精度和准确度以及高温性能的不断增长的需求,在使用AISI 300系列和Inconel TM 600的MIMS热电偶的传统设计中已经发现了主要缺陷。
    上海自动化仪表三厂设计了一种新开发热电偶系统,其中护套材料和元件相互兼容。这消除了传统MIMS热电偶的问题。
    设计标准
    传统的矿物绝缘金属护套热电偶设计为护套和元件作为单独的实体处理。这些标准首先考虑了温度范围,然后选择护套材料以满足工艺环境。该设计没有考虑护套对热元件的影响,并且试图在高于1000℃(通常为K型)的温度下使用矿物绝缘金属护套热电偶,热漂移和过早元件失效的证据是普遍存在的。研究表明,在实现矿物绝缘金属护套设计的全部潜力方面,有四个因素是显而易见的:
    常见的护套材料Inconel和AISI 310不能承受暴露在1050°C以上的空气或保护环境中。但是,需要能够在高达1300°C的温度下运行。
    K型热电偶在长期暴露于1050℃以上的温度下表现出显着的热电不稳定性。
    热元件导线可能被化学元素污染,化学元素通过MgO热扩散,导致电动势的大量漂移。
    通过使用与元件线相比具有不同的热膨胀系数的不同护套材料,由热循环施加的机械应力可导致元件(特别是负腿)的失效。

 


    集成设计的热电偶系统
    使用所建立的设计标准和突出的四个因素,具有最佳热电和环境稳定性的新型矿物绝缘金属护套热电偶必须基于它是一个真正完整的系统这一事实。
    它还必须考虑到目前使用的传统300系列和Inconel 600 热电偶(通常为K型)中明显存在的问题。
    如果我们考虑热电稳定性,已经表明N型裸线热电偶明显优于E,J,K和T,高达约1250℃。因此,使用MIMS形式的N型热电偶线具有提供稳定性问题的解决方案的潜力,但是任何设计必须采用与N型线兼容的护套合金。
    Nicrosil用于初始测试,因为它具有优异的抗氧化性,并且与热电偶的正极材料相同。这解决了不同金属和元件线和护套的差热系数问题。然而,Nicrosil的热化学,水性耐腐蚀性和耐渗碳性基本上不如传统的护套材料。
    通过多个发展阶段,上海自动化仪表三厂开发了B护套。B基本上是Nicrosil,添加了少量的镁和铌。

    镁的加入具有提高高温下抗氧化性的作用,通过与Nicrobell B中含有的二氧化硅结合形成坚韧的氧化硅酸镁钝化氧化物层,其锁定在金属的晶界中。
    添加铌具有改善Nicrobell B的热机械性能的作用,并且测试表明,作为温度到1250℃的函数的极限拉伸强度,断裂应力和延展性优于Inconel和310SS。
    要解决的第四个因素是化学污染。随着时间的推移,化学污染会导致电动势漂移。Bentley和Morgan1将此归因于通过氧化镁绝缘体的蒸汽扩散使铝和锰迁移。Nicrobell B没有铝或锰,因此消除了这种污染。
    通过使用N型热电偶元件,由于这些元件不存在于N型导体中,因此消除了典型的K型铝和锰的短路迁移。通过开发B护套N型MIMS热电偶,工业现在拥有一种贱金属热电偶,具有出色的抗氧化性,高温强度和高温热稳定性,适用于1250°C的温度范围。其性能与铂基热电偶的性能相比,没有与稀有金属热电偶相关的固有成本。
    Nicrobell C - nicrobell家族的补充
    虽然上海自动化仪表三厂B护套热电偶在氧化环境中具有许多有利于高温测量的特性,但在使用化石燃料作为热源的工艺中存在的渗碳,硝化或硫化气氛中并不理想。
    C护套合金是通过添加铬改性B护套而开发的。经验表明,铬含量超过20%的镍铬合金具有更强的抗碳化铬形成能力。
    C保留了B合金的大部分优点,除了稍高的高温强度。这产生了一种耐高温的鞘合金,它具有耐渗碳气氛,并且对硫化气氛具有更好的耐受性。
    使用含有K型元素的nicrobell鞘的意义
    迄今为止的所有测试表明,N-clad-N方法为MIMS热电偶结构提供了最高的稳定性和性能。
    然而,在许多情况下,由于重新检测或布线工厂的成本,将现有装置改为N型热电偶是不切实际的。在这些情况下,通过更换为Nicrobell包层K热电偶来确定值得考虑的改进。虽然不是理想的,但它提供了与传统铠装k型热电偶相关的问题的部分解决方案。
    分析设计标准中表示的因素:
    护套的使用提供了延长的耐高温氧化性。
    护套不含铝或锰,因此消除了元素污染和对电动势的影响。
    护套具有非常接近K型元件的热膨胀系数,因此改善了热电偶在热循环期间对机械故障的抵抗力。
应该注意的是,上海自动化仪表三厂K型热电偶元件仍然含有大量的铝和锰,它们在高温下仍然具有引起热电动势不稳定性的作用。
全系列的合金护套N型和K型热电偶已被引入温度测量行业。它们已经在许多环境中进行了试验和测试,在这些环境中,它们表现出比传统护套热电偶更优越的性能,稳定性或耐热电动势漂移性能,或者与传统上用于1000至1100°C温度的稀有金属热电偶几乎相同的性能。
    对于铂基热电偶系统,由于铂基组件的高成本,使用高达1250°C的N-Clad-N可节省大量成本。
    上海自动化仪表三厂热电偶方法的明显经济优势表明,工厂寿命和产品质量的长期稳定性和准确性得到了改善。

 

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