深度描述直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的基礎內容細節(jié)分析

直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶是公司在20世紀初推出的Ni基熱電偶：正負直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶分別稱為Chromel和Alumel。表3報告了Chrome1和Alumel的指示性組合物。

      ?   根據電壓與溫度的關系定義直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶，不需要使用必需的Chromel和Alumel組合物：其他制造商生產具有不同成分的正（KP）和負（KN）熱電元件，這符合K型電壓與溫度關系。

表1：Chromel和Alumel熱電元件的近似成分。

      所有KP和KN合金制造商都選擇了組合物，以便從環(huán)境溫度到固相線具有單相合金：這可以防止沿著熱電元件的相變。合金中的相變可以產生現(xiàn)有相的變化和其組成的變化：塞貝克系數取決于組成和晶體學，因此單相熱電元件是優(yōu)選的選擇。圖1顯示了Ni-Cr相圖上的Chromel的組成。

圖1：Ni-Cr相圖（改編自[1]）。

      選擇直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的成分是為了得到具有高塞貝克系數的直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶：這可以實現(xiàn)將具有正塞貝克系數的正熱電偶與具有負塞貝克系數的負熱電偶耦合。純Ni具有負塞貝克系數，但是將Ni與其他元素合金化可以得到具有正塞貝克系數的合金：這是使Ni與Cr合金化的情況。圖2顯示了不同Cr含量對Ni的塞貝克系數的影響：對于約10at％的Cr含量，獲得塞貝克系數的最大值，其與鉻1組成相匹配。

      相反， 直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶元件被設計成含有約5％的合金元素，選擇這些合金元素在整個溫度范圍內具有負塞貝克系數。

圖2：Cr對Ni的塞貝克系數的影響。

      當K型裸線直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶元件暴露在空氣中時，發(fā)生氧化。讓我們考慮氧化對正直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的影響：在Ni-Cr合金中，Cr被氧化，優(yōu)先形成富Cr的氧化物。在Chromel中，合金的Cr含量不足以形成連續(xù)的外部氧化鉻：外部Ni氧化物與下面的富Cr氧化物層一起形成。圖3顯示了在1200℃下110h后形成的氧化物層。

      Cr氧化物中Cr的含量高于合金的Cr含量：為了形成富Cr的氧化物，發(fā)生從賤金屬中Cr的消耗，因此賤金屬中的Cr含量和塞貝克系數是降低（參見Figure2）。圖4顯示了氧化導致的賤金屬中Cr的消耗：隨著暴露時間的增加，耗盡會影響更深和更深的賤金屬層。

      圖3：掃描電子顯微鏡圖像KP直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶元件橫截面在空氣中在1200℃暴露110h; 直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶元件橫截面圖（左上圖）與氧氣（右上），鎳（左下）和鉻（右下）的元素圖一起顯示。

圖4：由于空氣中的氧化導致的鉻絲中的Cr消耗。

      Chromel受到在200°C至600°C溫度范圍內發(fā)生的短程有序轉換的影響; 在這個溫度范圍內，開發(fā)出局部提取的原子排列，其產生塞貝克系數的增加，如圖5所示：變化是時間相關的，并且在每個溫度下它隨時間增加直到最大值。在大約400°C時變化最大，而在此溫度以上則變化。高于600°C，正直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶完全無序。

      直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的接合點在高于600℃的溫度下暴露時，一部分正直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶將經歷短程有序轉換并且將發(fā)生漂移。

圖5：Chromel中的短程訂單轉換（數據改編自[4]）。

直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶：MIMS配置

      使用護套來保護熱電偶免受操作環(huán)境的影響是提高熱電偶性能的非常有力的手段：它允許消除對熱電元件的要求以承受操作環(huán)境。例如，熱電元件的氧化在MIMS熱電偶中不是問題，只要護套為大氣中的氧提供有效的物理屏障，因此防止與熱電元件的相互作用。

      然而，在MIMS熱電偶中，直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶在由絕緣體和護套制成的環(huán)境中工作：與絕緣體和護套的相互作用可能影響信號的穩(wěn)定性并引起漂移。

      圖6顯示了在1200℃下暴露約1000小時后，用不銹鋼（AISI 310）和Inconel 600包覆的3mm直徑直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的漂移：AISI 310護套K型熱電偶顯示出比Inconel護套熱電偶更明顯的漂移。兩個護套都含有Mn并且漂移可能是由于氣相中的Mn從護套轉移到熱電元件：AISI 310護套直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的效果更明顯，因為AISI 310中的Mn含量是2at％，而Inconel是低于1at％。

    圖6：兩個K型MIM 直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的漂移，這些直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶套在AISI310和Inconel600中，并在1200°C下暴露（數據改編自[1]）。