K型和N型熱電偶的性能對比

摘要:N型熱電偶是為了提高K型熱電偶性能而研制出的一種綜合性能更好、更穩(wěn)定的熱電偶，它在K型熱電偶的基礎(chǔ)上對其抗氧化性能、輻照嬗變、有序無序轉(zhuǎn)變和磁性轉(zhuǎn)變等方面進(jìn)行了改進(jìn)，從而提高了熱電穩(wěn)定性能及抗高溫氧化性能。
1引言
　　熱電偶測溫的精度和可靠性很大程度上決定于熱電偶材料的熱電均勻性和穩(wěn)定性。測溫實踐中為了獲得最佳結(jié)果，不僅要注意熱電偶的結(jié)構(gòu)，安裝和校準(zhǔn)，更重要的是注意密切結(jié)合測溫現(xiàn)場和工況以及溫度范圍、測量精度來選擇適合的熱電穩(wěn)定性更高的熱電偶。特別是在核電站這樣一些領(lǐng)域內(nèi)使用的熱電偶，對它們進(jìn)行復(fù)校和更換很困難，有時甚至是不可能的，因此高可靠性、高穩(wěn)定性的熱電偶的研究進(jìn)展自然是測溫領(lǐng)域很關(guān)注的問題。
　　K型熱電偶是廉金屬熱電偶中綜合性能較好的一種，在核輻射場中已得到了廣泛的應(yīng)用。然而K型熱電偶材料本身存在著較大的缺憾,如在高溫下長期使用時，由于合金成份的變化或由于在中子輻射過程中元素的蛻變而發(fā)生成份不均勻，引起熱電勢的緩慢漂移。在250~650℃范圍內(nèi)加熱時，由于鎳鉻極(KP)合金的原子晶格出現(xiàn)不均勻的短程有序引起熱電勢重復(fù)性差(有序-無序轉(zhuǎn)變)，從而影響了它們的測溫精度。在150~260℃范圍內(nèi)，鎳硅極(KN)發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變也引起熱電勢波動。
　　N型熱電偶是國際.上近30年來在廉金屬熱電偶合金材料研究方面取得的重大成果，它不僅避免了K型熱電偶的這些弱點，而且它的高溫抗氧化性能更強，測溫范圍更廣、更準(zhǔn)確。因而它是一種比K型熱電偶性能更優(yōu)越的一種廉金屬熱電偶。本文主要針對K型與N型熱電偶進(jìn)行探討。
 
2熱電極合金的成份與性能
2.1熱電極的化學(xué)成份
　　K型和N型熱電偶的基本化學(xué)成份[2]列于表1中。從表1中我們可以看到:N型熱電偶的正極與K型熱電偶的正極一樣都是一種Ni/Cr/Si合金,但N型.偶正極(NP)鉻及硅的含量較K型偶的正極(KP)有所增加。就因為鉻含量的增加，消除了K型偶在400C,600℃范圍內(nèi)的時效影響以。因為Cr量為14%~16%.的NiCr合金，其室溫電阻變化最小，在該成份范圍.內(nèi)的短程有序轉(zhuǎn)變及自旋現(xiàn)象較小。Cr含量對NiCr合金熱電勢穩(wěn)定性的影響見圖1。而增加硅的含量是為了改善高溫抗氧化能力,使鎳鉻合金的氧化模式由內(nèi)氧化轉(zhuǎn)變?yōu)橥庋趸?，至使氧化反?yīng)僅在表面進(jìn)行。Si含量對NiCr合金熱電勢的影響見圖2。
 
　　N型熱電偶的負(fù)極(NN)較K型熱電偶的負(fù)極(KN)增加了硅、鎂的含量而完全不含錳和鋁。增加鎂的作用是阻止表層下的硅從熱電極中擇優(yōu)氧化成SiO2,增加硅的含量而完全不含錳和鋁使N型熱電偶的負(fù)極高溫抗氧化性能得到了良好的改善引。也就因為N型熱電偶的負(fù)極(NN)基本上不含Mn、Al、Co等元素,而Si含量有較大提高，從而抑制了新型合金的磁性轉(zhuǎn)變，使其轉(zhuǎn)變溫度降至室溫以下，使N型熱電偶不會在150~260℃范圍內(nèi)出現(xiàn)磁性轉(zhuǎn)變而造成熱電勢偏離分度表的現(xiàn)象4。Si含量對NiSi合金熱電勢的影響見圖3。
 
2.2熱電極的主要性能
　　由于良好的熱電特性，良好的物理性能、機械性能是判定熱電偶是否可靠，是否優(yōu)越的先決條件。用于核場測溫，核場中的材料與中子發(fā)生嬗變的幾率(即中子俘獲截面)盡可能小，復(fù)制性好等也是必須考慮的條件。
 
2.2.1熱電特性
　　熱電特性好的熱電偶,其熱電極配對后應(yīng)具有較大的熱電勢與塞貝克系數(shù)(熱電勢率)，能具有較似于線性的函數(shù)關(guān)系，且熱電特性具有良好的穩(wěn)定性和均勻性。此外，還要求每批材料具有良好的復(fù)現(xiàn)性21。表2列出K型與N型熱電偶的塞貝克系數(shù)與熱電勢。從表2中的數(shù)據(jù)我們可以看到:N型熱電偶的塞貝克系數(shù)雖然略低于K型,但K型偶在500"C時塞貝克系數(shù)達(dá)到最高，以后隨溫度的增高，塞貝克系數(shù)降低;而N型偶在800℃時塞貝克系數(shù)達(dá)到最高，以后隨溫度的增高，塞貝克系數(shù)雖然有所下降,但下降趨勢明顯比K型偶緩慢。N型偶的熱電勢雖然比K型偶低一點，但在并不影響N型偶的熱電特性的情況下，N型偶的均勻性卻比K型偶好。由此我們不難得出這樣的結(jié)論:N型熱電偶較似于線性的函數(shù)關(guān)系及均勻性都比K型偶好。
 
2.2.2物理性能和機械性能
　　由于良好的物理性能將使熱電偶保持長期的電勢穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性。良好的機械性能將使熱電偶便于冷加工。表3列出了K型偶與N型偶的物理性能和機械性能。
 
　　從表3我們可以看到:N型熱電偶的電阻溫度系數(shù)比K型熱電偶的電阻溫度系數(shù)低得多,而低的溫度系數(shù)將使熱電極長期工作后仍然保持良好的物理性能，使熱電偶保持長期的電勢穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。表4列出了K型熱電偶與N型熱電偶的電阻比與溫度的比例關(guān)系。從表中我們看到:N型熱電偶配對合金.(NP-NN)的電阻比隨溫度的升高變化明顯比K型熱電偶配對合金(KP-KN)小，使N型熱電偶在磁性方面的影響較K型小得多問。這也是為什么N型熱電偶比K型熱電偶更穩(wěn)定,較似于線性的函數(shù)關(guān)系更好的原因。
　　表5和表6分別給出了一組澳大利亞國防部材料研究所關(guān)于N型鎧裝熱電偶和同樣結(jié)構(gòu)的K型熱電偶在1000℃以.上和1000℃以下的熱電勢漂移的對比7。由于熱電偶長期經(jīng)受高溫而造成熱電勢逐漸漂移，這種漂移一-般是累積性的，它主要是由于材料的氧化所致。表5表6表明N型熱電偶比K型熱電偶有好得多的抗高溫性能和熱電穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性。
 
2.2.3核反應(yīng)的比較
　　由于當(dāng)熱電偶在核場中工作時，在熱中子和快中子流的照射下，熱電勢輸出將不穩(wěn)定而慢慢變化。這是由于熱電偶材料吸收中子后，有些化學(xué)元素變成了不穩(wěn)定同位素而嬗變成其他元素，使熱電偶絲的化學(xué)成份發(fā)生變化，最終導(dǎo)致熱電偶在核場中性能不穩(wěn)定。
 
　　從表1列出的化學(xué)成份中我們可以看到:由于N型熱電偶中不含Mn.Co、Cu等易發(fā)生核嬗變的元素，而K型偶負(fù)極中含有Mn、Co等易發(fā)生核嬗變的元素，因而N型偶比K型偶具有更好的耐輻照性能9。表7為核動力一院進(jìn)行的輻照試驗。在該試驗過程中，采用了3支K型熱電偶與3支N型熱電偶在570±80℃輻照到快中子積分通量1.56X10²¹n/cm²,熱積分通量7.9X10²⁰n/cm²后，在鉛凝固點(327.3℃)進(jìn)行輻照后的分度。從上表的數(shù)據(jù)可見，在幅照前后N型偶的熱電勢偏差最大為+0.72%，平均為+0.27%;K型偶最大偏差為1.83%，平均為1.5%。說明N型偶比K型偶具有更好的耐輻照性能。
 
3結(jié)論
　　由上面的對比，我們不難得出這樣的結(jié)論:
(1)N型偶克服了K型偶在250℃~650℃時存在的短程有序轉(zhuǎn)變及自旋現(xiàn)象。
(2)N型偶克服了K型偶在150~260℃范圍內(nèi)發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變而引起的熱電勢波動。
(3)N型偶較似于線性的函數(shù)關(guān)系比K型偶好。
(4)N型偶比K型偶有更好的熱電穩(wěn)定性、均勻性及復(fù)現(xiàn)性。
(5)N型偶比K型偶更抗高溫氧化。
(6)N型偶比K型偶具有更好的耐輻照性能。
因此,N型偶代替K型偶在核場上廣泛應(yīng)用只是時間的問題。