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深度了解關于K型熱電偶的基礎內容細節分析

來源:發表時間:2019-09-19


      K型热电偶是公司在20世纪初推出的Ni基热电偶:正负热电偶分别称为Chromel和Alumel。表3报告了Chrome1和Alumel的指示性组合物。

      根据电压与温度的关系定义K型热电偶,不需要使用必需的Chromel和Alumel组合物:其他制造商唐朝tv高清视频在线观看具有不同成分的正(KP)和负(KN)热电元件,这符合K型电压与温度关系。

 

表1:Chromel和Alumel熱電元件的近似成分。 

      所有KP和KN合金制造商都选择了组合物,以便从环境温度到固相线具有单相合金:这可以防止沿着热电元件的相变。合金中的相变可以产生现有相的变化和其组成的变化:塞贝克系数取决于组成和晶体学,因此单相热电元件是优选的选择。图1显示了Ni-Cr相图上的Chromel的组成。

 

圖1:Ni-Cr相圖(改編自[1])。 

      选择K型热电偶的成分是为了得到具有高塞贝克系数的热电偶:这可以实现将具有正塞贝克系数的正热电偶与具有负塞贝克系数的负热电偶耦合。纯Ni具有负塞贝克系数,但是将Ni与其他元素合金化可以得到具有正塞贝克系数的合金:这是使Ni与Cr合金化的情况。图2显示了不同Cr含量对Ni的塞贝克系数的影响:对于约10at%的Cr含量,获得塞贝克系数的最大值,其与铬1组成相匹配。

      相反,K型负热电元件被设计成含有约5%的合金元素,选择这些合金元素在整个温度范围内具有负塞贝克系数。

 

圖2:Cr對Ni的塞貝克系數的影響。

      当K型裸线热电偶暴露在空气中时,发生氧化。让我们考虑氧化对正热电偶的影响:在Ni-Cr合金中,Cr被氧化,优先形成富Cr的氧化物。在Chromel中,合金的Cr含量不足以形成连续的外部氧化铬:外部Ni氧化物与下面的富Cr氧化物层一起形成。图3显示了在1200℃下110h后形成的氧化物层。

      Cr氧化物中Cr的含量高于合金的Cr含量:为了形成富Cr的氧化物,发生从贱金属中Cr的消耗,因此贱金属中的Cr含量和塞贝克系数是降低(参见Figure2)。图4显示了氧化导致的贱金属中Cr的消耗:随着暴露时间的增加,耗尽会影响更深和更深的贱金属层。

 

      图3:扫描电子显微镜图像KP热电元件横截面在空气中在1200℃暴露110h; 热电元件横截面图(左上图)与氧气(右上),镍(左下)和铬(右下)的元素图一起显示。

 

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温度范围内发生的短程有序转换的影响; 在这个温度范围内,开发出局部提取的原子排列,其产生塞贝克系数的增加,如图5所示:变化是时间相关的,并且在每个温度下它随时间增加直到最大值。在大约400°C时变化最大,而在此温度以上则变化。高于600°C,正热电偶完全无序。

      当K型热电偶的接合点在高于600℃的温度下暴露时,一部分正热电偶将经历短程有序转换并且将发生漂移。

 

圖5:Chromel中的短程訂單轉換(數據改編自[4])。

K型熱電偶:MIMS配置

      使用护套来保护热电偶免受操作环境的影响是提高热电偶性能的非常有力的手段:它允许消除对热电元件的要求以承受操作环境。例如,热电元件的氧化在MIMS热电偶中不是问题,只要护套为大气中的氧提供有效的物理屏障,因此防止与热电元件的相互作用。

      然而,在MIMS热电偶中,热电偶在由绝缘体和护套制成的环境中工作:与绝缘体和护套的相互作用可能影响信号的稳定性并引起漂移。

      图6显示了在1200℃下暴露约1000小时后,用不锈钢(AISI 310)和Inconel 600包覆的3mm直径K型热电偶的漂移:AISI 310护套K型热电偶显示出比Inconel护套热电偶更明显的漂移。两个护套都含有Mn并且漂移可能是由于气相中的Mn从护套转移到热电元件:AISI 310护套热电偶的效果更明显,因为AISI 310中的Mn含量是2at%,而Inconel是低于1at%。

 

      图6:两个K型MIMS热电偶的漂移,这些热电偶套在AISI310和Inconel600中,并在1200°C下暴露(数据改编自[1])。 


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