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降低K型热电偶的老化和漂移影响的几个措施

来源: 作者:罗伯特·托格森 发布日期:2020-10-30

       随着反复暴露在高温下,K型热电偶的精度降低。老化是导致温度读数高于准确度的现象,而漂移则导致读数低于准确度的现象。尽管所有K型热电偶都会老化和漂移,但非常佳实践可以非常大程度地降低风险并延长热电偶寿命。

 
可靠,耐用和廉价的K型热电偶通常用于许多行业。标准的矿物绝缘(MI)K型热电偶包含三种金属,所有这些都会影响其老化和漂移。
 
在这种热电偶的类型,正导体由镍铬的®(镍和铬合金)和负导体由镍铝合金的®(镍,锰,硅和铝的合金)。涉及的第三种金属是保护套,其通常由不锈钢或类似合金,镍合金或钝化镍合金制成。
 
在谈论热电偶输出如何随着时间的推移而变得不那么精确时,老化和 漂移通常会互换使用,以响应温度和运动。出于本文的目的,K型热电偶的老化是在600°F(316°C)和1200°F(649°C)之间发生的现象。老化会导致传感器温度读数略有增加。同样出于本文的目的,K型热电偶的漂移是在1200°F(649°C)以上时发生的现象,并且可能导致温度读数显着下降。
 
以下信息基于行业发现以及WIKA USA正在进行的研发。
 
K型热电偶的老化和短程订购
 
短程有序(SRO)是一种物质状态,其中原子仅在短距离上规则且可预测地排列。对于铁磁性和反铁磁性金属,SRO指的是电子自旋从排列状态(均指向磁性北向)到随机性稍强的无序状态。这种冶金特性会影响K型热电偶,无论导线尺寸如何,热电偶的制造商电线,或成品MIMS(矿物绝缘金属护套)电缆的制造商,通常称为金属护套TI。
 
电磁紊乱
高于居里温度,除非施加磁场,否则磁性自旋会随机排列。
 
老化的特征是金属结构的磁混乱,这会导致热电偶的温度读数发生微小变化。导体中的镍是磁性的。当镍达到居里温度时[i]在 669°F(354°C)下,其磁性能开始改变和减弱,这影响了由异种金属的结产生的电压差。
磁性订购
在居里温度以下,即使没有磁场,相邻的磁性自旋也会对准铁磁体。
短程订购发生在600–900°F(316–482°C)的温度范围内。在较小的程度上,它也可能在900–1,200°F(482–649°C)的范围内发生。可以通过在大约1,600–1,650°F(871-899°C)的退火步骤来纠正这种偏移,但由于这是K型焊丝合金的特征,因此将再次成为一个因素。发生多个导致SRO的事件时,偏移量会减小,正常的非常大温度偏差通常为+ 5°F至+ 6°F。
 
以下是带有退火护套的K型热电偶的温度读数预期变化的典型进展示例。
 
  1. 开始条件:热电偶的温度读数正常(通过与恒温参考探头进行比较(在温控浴中)进行验证)。温度读数为700°F(371.1°C)。
  2. 该热电偶要么在700°F的温度下投入使用,要么在700°F的温度下回到同一校准槽中。由于订购范围短,新的温度读数为702°F(372.2°C),增加了2°F。
  3. 该热电偶的磁性降低并且正在老化。当将其重新投入使用时(恰好在700°F(华氏度))或放回同一校准槽中时,新的温度读数为703.5°F(373°C),增加了1.5°F。
  4. 重复步骤3。新的温度读数为704.5°F(373.6°C),增加了1°F。
  5. 重复步骤4。新的温度读数为705°F(373.9°C),增加了0.5°F。此后,温度读数的任何变化都非常小。高于1200°F(649°C),温度读数的变化将慢慢“校正”回原始校准值。
其他类型的热电偶也会遇到SRO,因此温度输出会上升。例如,在J型热电偶中,一根导线是铁,当其达到1,418°F(770°C)的居里温度时,它开始老化。
 
什么是热电偶漂移?
漂移通常是热电偶温度读数的下降,可能是几种不同现象的结果。漂移将继续降低温度读数,甚至可能导致热电偶故障。通常,此故障发生在偏离原始温度25°F的温度处或之前。
 
与漂移有关的冶金现象可以区分为:
  • 表面修饰,与由于热电元件和热电元件周围环境之间的相互作用而导致的热电元件变化有关。
  • 大量修改,与热电偶的体积变化有关。
表面修改可以显示为:
  • 氧化(裸线配置)
  • 热电偶中的元素耗尽(裸线/ MIMS配置)
  • 来自环境的污染(裸线/ MIMS配置)
  • 与绝缘体的相互作用(MIMS配置)
  • 与护套的相互作用(MIMS配置)
在批量修改中,可以观察到以下现象:
  • 相变
  • 谷物生长
  • 残余应变和位错an灭
  • 重结晶
热电偶系统,尤其是放置在燃烧加热器中的系统,可能会经历老化和漂移。但是,很难预测甚至无法预测对经历温度梯度作为其正常运行一部分的热电偶系统的实际影响。
 
如何非常小化K型热电偶的老化和漂移
在许多燃烧加热器中,炉管的温度低于1200°F(649°C)(老化区),而烟气则远远高于2,000°F(1093C)(漂移区)。老化是可以预测的,而漂移则难以预测,破坏性更大,并导致系统故障。
 
以下是有关管式热电偶(TSTC)加热器的一些非常佳做法:
  • 尽量减少热电偶上的辐射/对流热量。换句话说,尝试在管的非常冷的部分上运行热电偶。对于双射设计,这可能是一半,而不是一侧或另一侧。
  • 平衡的屏蔽设计有助于将辐射/对流热转换为传导热。
  • 保持尽可能多的TSTC与试管紧密接触。当管子变成散热器时,这一点非常重要。必须使用足够数量的夹子以防止间隙。任何间隙都会使管子更接近烟气温度,这将使热电偶进入漂移区并非常终损坏传感器。
  • 非常小化或消除管外布线。非常好使TSTC沿着管子运行到与管子成一直线的出口,而不是从管子到垂直于管子的壁出口有较大的跳跃。陶瓷纤维的包裹物(例如Kaowool)是防止灰分相关的助焊剂问题的良好屏障,但是包裹物不能使热电偶保持凉爽,也不能使传感器脱离管外跳变长的漂移区。
  • 活塞式出口优于膨胀线圈。弯曲会增加漂移的可能性,而活塞式出口可以非常大程度地减少或消除这种风险。对于像焦化机这样的高炉,尽可能使用活塞式出口尤为重要。
  • 如果无法使用活塞式出口,请使用较小的膨胀线圈进行补偿。 由于多余的材料会吸收更多的表面积来吸收热量,因此重要的是非常小化线圈的尺寸,并在受辐射/对流热影响的区域中隐藏尽可能多的材料。 三到四个小线圈通常比一个大环路更可取。
  • 选择护套材料时,以温度为标准。 在使用管温度进行确定时,请注意是否使用了长跳管的次优路径。升级到I600或Pyrocil D护套可以帮助减少(但不能消除)漂移,并延长热电偶寿命。
 
由于K型热电偶中使用的金属的特性,会发生老化和漂移。当前不可能制造无漂移或无老化的热电偶。但是,像Catherine Rae博士和Michele Scervini博士这样的材料科学家正在积极地进行冶金修改,以创建K型和其他热电偶的减少漂移的版本。
 
Scervini的这篇文章详细介绍了漂移,漂移发生的原因以及温度激活的冶金学变化。本文(Scervini&Rae 2013)发表在《燃气轮机和动力工程》 杂志上, 讨论了一种改进的镍基MIMS热电偶,适用于高温燃气轮机应用。 
易老化和漂移的区域
在此插图中,绿色框显示了通常容易老化的区域。红色框显示了可能易于漂移并因此导致热电偶损坏的区域。
在此插图中,绿色框显示了通常容易老化的区域。红色框显示了可能易于漂移并因此导致热电偶损坏的区域。
 
[i]也称为居里点(以Pierre Curie命名),这是某些磁性材料的磁性发生急剧变化的温度。在居里点以下,充当微小磁体的原子自发地在某些磁性材料中对齐。在铁磁材料中,原子磁体在每个微观区域(畴)内的方向相同,因此它们的磁场相互增强。在反铁磁材料中,原子磁体在相反的方向上交替排列,因此它们的磁场相互抵消。在铁磁性材料中,自发排列是两种模式的组合,通常涉及两个不同的磁性原子,因此仅发生磁场的部分增强。将这三种材料中的任何一种材料的温度提高到居里点都完全破坏了各种自发的排列,仅剩下了一种较弱的更一般的磁性行为,即顺磁性。
 
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