如何選擇Omega鎧裝熱電偶外護(hù)套材料

簡(jiǎn)介
鎧裝熱電偶包含配套的熱電偶線，這些熱電偶線由通過(guò)軋 制、拉伸或旋鍛等方式壓縮直到減小至護(hù)套直徑的絕緣材料（通常是氧化鎂） 包裹。MIMS熱電偶的優(yōu)勢(shì)包括：
實(shí)現(xiàn)熱電偶線與周圍環(huán)境的化學(xué)隔離。

屏蔽電干擾源對(duì)熱電偶的干擾。
保護(hù)熱電偶線和絕緣層免受沖擊損壞。
總裝允許彎曲，具有靈活性。
二十年來(lái)，人們夸大了MIMS結(jié)構(gòu)的性能。與非護(hù)套元件相比，MIMS結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)的 情況是：可靠性較低、耐久性較差，且溫度限制也較低。在400°C (750°F)以上的環(huán) 境中使用時(shí)，含鎳MIMS熱電偶特別容易出現(xiàn)校準(zhǔn)不穩(wěn)和壽命縮短等問(wèn)題，而這是使 用和選擇熱電偶時(shí)要著重考慮的因素。

滯后
熱電滯后是導(dǎo)致校準(zhǔn)不穩(wěn)的一個(gè)重要因素。 滯后是鎳鉻合金（如K型）在溫度為200°C 和600°C（*常發(fā)生在400°C）之間時(shí)發(fā) 生的一種短期有序／無(wú)序現(xiàn)象。其表現(xiàn)是熱電偶溫度在此溫度范圍內(nèi)周期變化時(shí)， 校準(zhǔn)也會(huì)出現(xiàn)幾度的變化。在200?C和 1000?C（*常發(fā)生在750°C）之間加熱或 冷卻時(shí)，N型熱電偶的滯后可高達(dá)5°C。在 900°C時(shí)滯后為2°C到3°C。舉例來(lái)說(shuō)，如 果在500°C以下使用K型熱電偶，可以通過(guò) 在450°C時(shí)進(jìn)行整夜退火處理來(lái)減少滯后。
氧化

氧化是會(huì)影響校準(zhǔn)的另一種現(xiàn)象。由于氧 化現(xiàn)象，Ni-Cr-AI合金（例如鎳鉻合金*）在500°C以上空氣環(huán)境中的壽命有限。 有一種特殊形式的氧化被稱為"線朽鉻線"(Green Rot)，它是指在含氧量低的環(huán)境（例如空氣有限且不流通的護(hù)套中）中發(fā) 生選擇性鉻氧化。鎳鉻硅的抗氧化溫度高達(dá)約1250?C (2300?F)，并且不會(huì)出現(xiàn)線朽鉻線。
幾種稱為"Nicrobell"(**)的新型護(hù)套材 料都包含鈮含量為1.5%或3.0%的鎳鉻 硅。Nicrobell"A"是為抗氧化而特制的。 另外一種稱為Nicrosil +(***)的護(hù)套材料包 含鎳鉻硅和0.15%的鎂。據(jù)報(bào)告（見(jiàn)參考 文獻(xiàn)4），與一些經(jīng)過(guò)測(cè)試的Nicrobell材料 相比，這種材料不易剝落，而且壽命可能 會(huì)更長(zhǎng)。
鎳鉻硅本身對(duì)還原氣體（大部分燃燒過(guò)程 或許多熱處理過(guò)程的產(chǎn)物）的耐受能力不 高。將鎳鉻硅用作護(hù)套材料的其他改造方
法（如Nicrobell B、C和D）可用于應(yīng)對(duì)典 型的非氧化環(huán)境。

污染
影響校準(zhǔn)穩(wěn)定性的第三個(gè)因素是污染。礦物絕緣、一體化設(shè)計(jì)、金屬護(hù)套熱電偶背后的理念是，對(duì)包裹熱電偶線和填充護(hù) 套的極細(xì)礦物氧化物（通常為氧化鎂）絕緣層進(jìn)行均勻壓縮能密封內(nèi)部空間，從而消除污染。通過(guò)旋鍛、軋制或拉伸壓縮 的絕緣體85%左右是固體材料。這很有用，因?yàn)楣懿目梢詮澢部梢灾圃熘睆礁〉慕M件。但是，它確實(shí)可能發(fā)生氣 體（如水蒸氣或空氣）侵入的現(xiàn)象。組成熱電偶線或護(hù)套的元件也可能發(fā)生蒸汽擴(kuò)散。Bentley和Morgan斷定，透過(guò)氧化鎂 絕緣層的錳蒸汽相擴(kuò)散對(duì)熱電偶校準(zhǔn)的影響*大。
 

金屬疲勞
金屬疲勞是熱電偶?jí)勖s短的另一個(gè)原因。護(hù)套和熱電偶線之間的溫度線性膨脹系數(shù)差異能導(dǎo)致加熱或冷卻時(shí)發(fā)生應(yīng)變。這些 應(yīng)變會(huì)因金屬疲勞*終導(dǎo)致斷裂。加熱到900?C時(shí)，鎳硅電偶合金與304不銹鋼的熱膨脹差異為長(zhǎng)度的0.4%。鎳鉻硅與鎳硅 （支腿*容易斷裂）相比，兩者的膨脹系數(shù)差只有0.05%。因此，對(duì)于N型熱電偶的支腿來(lái)說(shuō)，鎳鉻硅、Nicrosil+或Niobell制成 的護(hù)套比不銹鋼護(hù)套的抗金屬疲勞性要好。
 

成分
不銹鋼護(hù)套熱電偶的成分變化通常高于Inconel (****)護(hù)套熱電偶。Anderson等人進(jìn)行的測(cè)試表明，KN支腿會(huì)出現(xiàn)鉻元素增
加，鋁元素減少。這些成分變化是導(dǎo)致熱電偶發(fā)生校準(zhǔn)變化的主要因素。
大多數(shù)不銹鋼的含錳量為1%到2%。304不銹鋼的含錳量約為2%。其他不銹鋼的錳濃度在1%到10%之間。Inconel的含錳 量高達(dá)1%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在1100?C時(shí)持續(xù)1000小時(shí)，護(hù)套材料中每1%的錳能導(dǎo)致出現(xiàn)-10?C的校準(zhǔn)偏移。根據(jù)Bentley的測(cè)試， 在1200?C時(shí)，直徑為3 mm的N型不銹鋼護(hù)套在1000小時(shí)內(nèi)漂移-24?C。
 

濕度
護(hù)套內(nèi)的水蒸氣會(huì)產(chǎn)生多方面的影響。它能迅速被氧化鎂吸收，從而降低絕緣電阻。濕氣侵入可以在短短幾分鐘之內(nèi)毀掉 MIMS熱電偶組件。輕而言之，它會(huì)破壞鎳鉻合金表面的氧化保護(hù)涂層，進(jìn)而加速損壞熱電偶組件。因水蒸氣而導(dǎo)致的變化 后果非常嚴(yán)重，能使絕緣電阻降低，足以使受影響的熱電偶失效。絕緣電阻降低，能導(dǎo)致形成開(kāi)路后出現(xiàn)具誤導(dǎo)性的溫度讀 數(shù)、提早失效，甚至讀數(shù)錯(cuò)誤。
在熱電偶制造或維修過(guò)程中可以引入水蒸氣，甚至?xí)蚩者\(yùn)或在建筑工地長(zhǎng)期存儲(chǔ)（例如六個(gè)月）過(guò)程中產(chǎn)生的氣壓變化而引入水蒸氣。
 

建議
雖然上述內(nèi)容未提及，但這些熱電偶材料的直徑與高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命之間存在著一定的關(guān)系。在高溫環(huán)境下，支 撐電加熱器的磚表面會(huì)變?yōu)閷?dǎo)體。這會(huì)導(dǎo)致電流通過(guò)熱電偶護(hù)套（也可能通過(guò)測(cè)量?jī)x器）傳導(dǎo)到地面。

圖1. 1200°C真空環(huán)境中直徑3 mm不銹鋼護(hù)套及Inconel 600護(hù)套K型和鎳鉻硅熱電偶 漂移與鎳硅熱電偶漂移的比較。漂移曲線中的波谷是"就地非均勻性測(cè)試"的結(jié)果，測(cè)試取樣是從爐中取出的5 cm。

圖2. **維持在1100°C的N型熱電偶的原位漂移。曲線分別表示空氣中帶有外徑為3mm的310 不銹鋼(SS)或鎳鉻硅(NCR)護(hù)套的礦物絕緣金屬護(hù)套熱電偶，以及1.6mm裸線熱電偶。后者的漂移范圍也已指明。

應(yīng)避免在溫度較高或具有腐蝕性的工業(yè)環(huán) 境中使用*精細(xì)的金屬護(hù)套熱電偶（細(xì)到1 mm）。
對(duì)礦物絕緣、金屬護(hù)套的熱電偶來(lái)說(shuō)，與鎳鉻熱電偶（如K型或N型）配合使用時(shí)，不銹鋼護(hù)套的效果比Inconel 600或改 良的鎳鉻硅護(hù)套差。改良的鎳鉻硅護(hù)套熱電偶可在高達(dá)1100°C（N型為1200°C到1250°C）時(shí)提供更強(qiáng)的抗氧化能力、降低 因熱膨脹差異導(dǎo)致的故障、提高延展性并消除因不銹鋼或Inconel中錳的蒸汽擴(kuò)散引起的漂移問(wèn)題。
考慮到較新材料的供貨現(xiàn)狀，用戶可以選擇低錳（0.3%或更少）Inconel金屬護(hù)套K型MIMS熱電偶，直到改良的鎳鉻硅金屬 護(hù)套K型或N型及相應(yīng)的支持?jǐn)?shù)據(jù)成熟。

Omega鎧裝熱電偶探頭外部的金屬護(hù)套用于防止內(nèi)部熱電偶線接觸到化學(xué)活性環(huán)境。有些情況下，甚至熱空氣都可以損壞熱電偶線，能使它們長(zhǎng)久地失去準(zhǔn)度。如何選用*佳類型的金屬護(hù)套取決于客戶的既定用途、所在行業(yè)以及所在國(guó)家／地區(qū)。例如，*常用的OMEGATM金屬護(hù)套為304不銹鋼和Inconel 600。它們可在包括食品加工行業(yè)在內(nèi)的大部分行業(yè)中使用。304不銹鋼是一種通用合金，可以輕易獲得并且材料與加工成本較低。然而，一些行業(yè)，如石油、醫(yī)藥、核工業(yè)、航空和發(fā)電等等有自己的標(biāo)準(zhǔn)，可能需要更加復(fù)雜和昂貴的合金。
右邊列出了OMEGA用來(lái)生產(chǎn)OMEGACLADTM。

304不銹鋼
OMEGA采用稱為304L的低碳型304不銹鋼，主要原因是這種材料容易焊接。一般情況下，它可與普通304不銹鋼互換。
應(yīng)用:
食品飲料加工
化工生產(chǎn)
奶制品
醫(yī)院設(shè)備
制藥設(shè)備
核反應(yīng)堆設(shè)備
輕度腐蝕物容器

溫度限制：對(duì)于循環(huán)過(guò)程*高為
871°C (1600°F)。對(duì)于溫度在
899°C (1650°F)左右或者更高
的長(zhǎng)時(shí)間使用，請(qǐng)使用Inconel 600

Inconel600
這種鎳鉻含量高的合金比大多數(shù)不銹鋼都要貴。它適合在高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用，并且可耐受大多數(shù)普通酸和超純水的腐蝕。
應(yīng)用:
熔爐零部件
化工生產(chǎn)和食品加工
核能發(fā)電
苛性化學(xué)品
溫度限制
*高溫度1149°C (2100°F)

SUPER OMEGACLADTM
這種合金在高溫下具有出色的耐空氣腐蝕性。其表面有一層氧化鋁層，可阻止進(jìn)一步氧化。這種耐氧化性能使熱電偶探頭在EMF漂移使熱電偶"失準(zhǔn)"之前工作很長(zhǎng)時(shí)間。耐氫氣腐蝕并且在高溫下強(qiáng)度很高，這也是它廣受歡迎的原因。由于結(jié)構(gòu)限制并且難于加工，這種合金比上面討論的任何合金都貴很多。
應(yīng)用:
熔爐零部件
燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)
催化轉(zhuǎn)換器零部件
航空航天噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭
發(fā)動(dòng)機(jī)
耐火材料錨固件
廢物焚化爐
溫度限制:
約為1216°C (2220°F)，也
可在加熱氫氣環(huán)境中使用，約
為1093°C (2000°F)

310不銹鋼
由于可在高達(dá)1038°C (1900°F)的溫度下不起氧化皮，這種材料通常在較高溫度下使用。在較高溫度時(shí)，它比304不銹鋼強(qiáng)度更大并且更加耐受空氣腐蝕。此外，這種材料在高溫生物燃料氣體中也表現(xiàn)不俗。
應(yīng)用：（較高溫度）
空氣加熱器
烘烤設(shè)備
化工設(shè)備
熔爐零部件
換熱器與電動(dòng)設(shè)備
（它們不與硫接觸）
石油提煉
溫度限制：
*高溫度1038℃ (1900°F)

316（和316L）不銹鋼
由于其中添加了鉬，這種材料與大部分不銹鋼相比，對(duì)大多數(shù)化學(xué)品、鹽和酸的耐腐蝕性更強(qiáng)。對(duì)含硫或含氯液體的耐受性也不錯(cuò)。
應(yīng)用：
船只裝飾件外部
化工生產(chǎn)和食品加工
石油提煉設(shè)備
制藥設(shè)備
造紙與紙漿
紡織品加工
溫度限制：
在空氣或周期性腐蝕環(huán)境中使用時(shí)，*高溫度871°C (1600°F)；空氣中使用時(shí)略高一些。

321不銹鋼
除了含鈦外，這種合金與304不銹鋼相似。它專門(mén)用于高溫下工作的焊接部件，非常適合在溫度大約427°C(800°F)的空氣和燃燒環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用。
應(yīng)用：
飛機(jī)排氣管和集合管
噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)零部件
煙囪襯料
焊接設(shè)備
化工設(shè)備

溫度限制：
*高溫度871°C (1600°F)

哈氏合金-X
由于其中添加了鐵、鉻和鉬，這種合金較貴。它具有出色的高溫強(qiáng)度和良好的抗氧化性。它是一種相對(duì)較老的合金，成本比一些較新合金低，而性能比它們出色。
應(yīng)用：
發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)
航空航天應(yīng)用
工業(yè)爐窯
鍋爐和壓力容器
溫度限制：
*高溫度1177°C (2150°F)

熱電偶 分度號(hào)	護(hù)套材質(zhì)	護(hù)套直徑 mm (inch)	*高工作溫度 °C (°F)
K	304SS不銹鋼	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	500 (932) 700 (1290） 700  (1290) 700  (1290) 899 (1650) 899 (1650) 899 (1650) 899 (1650)
	Inconel® 600鎳鉻鐵合金	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	500 (932) 700(1290) 700 (1290) 700 (1290) 921 (1690) 1071 (1960) 1149 (2100) 1149 (2100)
	Super OMEGACLAD® XL超級(jí)材料	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	600 (1112) 800 (1472) 800(1472) 800 (1472) 1038 (1900) 1149 (2100) 1204 (2200) 1204 (2200)
J	304SS不銹鋼	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	260 (400) 260 (500) 260 (500) 260 (500) 441 (825) 521 (970) 621 (1150) 721 (1330)
T	304SS不銹鋼	0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	260 (500) 260 (500) 260 (500) 260 (500) 316 (600) 371 (700) 371 (700)