深度描述直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶的基礎(chǔ)內(nèi)容細(xì)節(jié)分析

直流鍋爐測溫鎧裝熱電偶是公司在20世紀(jì)初推出的Ni基熱電偶：正負(fù)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(jù)電壓與溫度的關(guān)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(chǎn)具有不同成分的正（KP）和負(fù)（KN）熱電元件，這符合K型電壓與溫度關(guān)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(chǎn)生現(xiàn)有相的變化和其組成的變化：塞貝克系數(shù)取決于組成和晶體學(xué)，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(shù)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(shù)的正熱電偶與具有負(fù)塞貝克系數(shù)的負(fù)熱電偶耦合。純Ni具有負(fù)塞貝克系數(shù)，但是將Ni與其他元素合金化可以得到具有正塞貝克系數(shù)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(shù)的影響：對于約10at％的Cr含量，獲得塞貝克系數(shù)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(shè)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(nèi)具有負(fù)塞貝克系數(shù)。

圖2：Cr對Ni的塞貝克系數(shù)的影響。

      當(dāng)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(shù)是降低（參見Figure2）。圖4顯示了氧化導(dǎo)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(dǎo)致的鉻絲中的Cr消耗。

      Chromel受到在200°C至600°C溫度范圍內(nèi)發(fā)生的短程有序轉(zhuǎn)換的影響; 在這個溫度范圍內(nèi)，開發(fā)出局部提取的原子排列，其產(chǎn)生塞貝克系數(shù)的增加，如圖5所示：變化是時間相關(guān)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(jīng)歷短程有序轉(zhuǎn)換并且將發(fā)生漂移。

圖5：Chromel中的短程訂單轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)改編自[1]）。