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    新開發的熱電偶系統杜絕了MIMS熱電偶的使用缺陷

    來源:發表時間:2019-05-08


        介紹
        礦物絕緣金屬護套熱電偶是在30多年前推出的,代表了熱電偶技術的一項重大進步,它已成為75年來最常用的測量溫度的方法。礦物絕緣金屬護套熱電偶采用緊湊型設計,其中熱電偶安裝在受保護的環境中。然而,隨著對更高水平的精度和準確度以及高溫性能的不斷增長的需求,在使用AISI 300系列和Inconel TM 600的MIMS熱電偶的傳統設計中已經發現了主要缺陷。
        上海自動化儀表三廠設計了一種新開發熱電偶系統,其中護套材料和元件相互兼容。這消除了傳統MIMS熱電偶的問題。
        設計標準
        傳統的礦物絕緣金屬護套熱電偶設計為護套和元件作為單獨的實體處理。這些標準首先考慮了溫度范圍,然后選擇護套材料以滿足工藝環境。該設計沒有考慮護套對熱元件的影響,并且試圖在高于1000℃(通常為K型)的溫度下使用礦物絕緣金屬護套熱電偶,熱漂移和過早元件失效的證據是普遍存在的。研究表明,在實現礦物絕緣金屬護套設計的全部潛力方面,有四個因素是顯而易見的:
        常見的護套材料Inconel和AISI 310不能承受暴露在1050°C以上的空氣或保護環境中。但是,需要能夠在高達1300°C的溫度下運行。
        K型熱電偶在長期暴露于1050℃以上的溫度下表現出顯著的熱電不穩定性。
        熱元件導線可能被化學元素污染,化學元素通過MgO熱擴散,導致電動勢的大量漂移。
        通過使用與元件線相比具有不同的熱膨脹系數的不同護套材料,由熱循環施加的機械應力可導致元件(特別是負腿)的失效。

     


        集成設計的熱電偶系統
        使用所建立的設計標準和突出的四個因素,具有最佳熱電和環境穩定性的新型礦物絕緣金屬護套熱電偶必須基于它是一個真正完整的系統這一事實。
        它還必須考慮到目前使用的傳統300系列和Inconel 600 熱電偶(通常為K型)中明顯存在的問題。
        如果我們考慮熱電穩定性,已經表明N型裸線熱電偶明顯優于E,J,K和T,高達約1250℃。因此,使用MIMS形式的N型熱電偶線具有提供穩定性問題的解決方案的潛力,但是任何設計必須采用與N型線兼容的護套合金。
        Nicrosil用于初始測試,因為它具有優異的抗氧化性,并且與熱電偶的正極材料相同。這解決了不同金屬和元件線和護套的差熱系數問題。然而,Nicrosil的熱化學,水性耐腐蝕性和耐滲碳性基本上不如傳統的護套材料。
        通過多個發展階段,上海自動化儀表三廠開發了B護套。B基本上是Nicrosil,添加了少量的鎂和鈮。

        鎂的加入具有提高高溫下抗氧化性的作用,通過與Nicrobell B中含有的二氧化硅結合形成堅韌的氧化硅酸鎂鈍化氧化物層,其鎖定在金屬的晶界中。
        添加鈮具有改善Nicrobell B的熱機械性能的作用,并且測試表明,作為溫度到1250℃的函數的極限拉伸強度,斷裂應力和延展性優于Inconel和310SS。
        要解決的第四個因素是化學污染。隨著時間的推移,化學污染會導致電動勢漂移。Bentley和Morgan1將此歸因于通過氧化鎂絕緣體的蒸汽擴散使鋁和錳遷移。Nicrobell B沒有鋁或錳,因此消除了這種污染。
        通過使用N型熱電偶元件,由于這些元件不存在于N型導體中,因此消除了典型的K型鋁和錳的短路遷移。通過開發B護套N型MIMS熱電偶,工業現在擁有一種賤金屬熱電偶,具有出色的抗氧化性,高溫強度和高溫熱穩定性,適用于1250°C的溫度范圍。其性能與鉑基熱電偶的性能相比,沒有與稀有金屬熱電偶相關的固有成本。
        Nicrobell C - nicrobell家族的補充
        雖然上海自動化儀表三廠B護套熱電偶在氧化環境中具有許多有利于高溫測量的特性,但在使用化石燃料作為熱源的工藝中存在的滲碳,硝化或硫化氣氛中并不理想。
        C護套合金是通過添加鉻改性B護套而開發的。經驗表明,鉻含量超過20%的鎳鉻合金具有更強的抗碳化鉻形成能力。
        C保留了B合金的大部分優點,除了稍高的高溫強度。這產生了一種耐高溫的鞘合金,它具有耐滲碳氣氛,并且對硫化氣氛具有更好的耐受性。
        使用含有K型元素的nicrobell鞘的意義
        迄今為止的所有測試表明,N-clad-N方法為MIMS熱電偶結構提供了最高的穩定性和性能。
        然而,在許多情況下,由于重新檢測或布線工廠的成本,將現有裝置改為N型熱電偶是不切實際的。在這些情況下,通過更換為Nicrobell包層K熱電偶來確定值得考慮的改進。雖然不是理想的,但它提供了與傳統鎧裝k型熱電偶相關的問題的部分解決方案。
        分析設計標準中表示的因素:
        護套的使用提供了延長的耐高溫氧化性。
        護套不含鋁或錳,因此消除了元素污染和對電動勢的影響。
        護套具有非常接近K型元件的熱膨脹系數,因此改善了熱電偶在熱循環期間對機械故障的抵抗力。
    應該注意的是,上海自動化儀表三廠K型熱電偶元件仍然含有大量的鋁和錳,它們在高溫下仍然具有引起熱電動勢不穩定性的作用。
    全系列的合金護套N型和K型熱電偶已被引入溫度測量行業。它們已經在許多環境中進行了試驗和測試,在這些環境中,它們表現出比傳統護套熱電偶更優越的性能,穩定性或耐熱電動勢漂移性能,或者與傳統上用于1000至1100°C溫度的稀有金屬熱電偶幾乎相同的性能。
        對于鉑基熱電偶系統,由于鉑基組件的高成本,使用高達1250°C的N-Clad-N可節省大量成本。
        上海自動化儀表三廠熱電偶方法的明顯經濟優勢表明,工廠壽命和產品質量的長期穩定性和準確性得到了改善。

     

    本文由 上海自動化儀表有限公司、編輯,轉載請注明版權 相關產品推薦:磁浮子液位計 磁翻板液位計、 電磁流量計、 雷達液位計、 孔板流量計、 熱電偶、 流量計、 壓力變送器、 渦街流量計、
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