K型和N型熱電偶的性能對(duì)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(duì)其抗氧化性能、輻照嬗變、有序無(wú)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(cè)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(cè)溫實(shí)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(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)和工況以及溫度范圍、測(cè)量精度來(lái)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(duì)它們進(jìn)行復(fù)校和更換很困難，有時(shí)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(cè)溫領(lǐng)域很關(guān)注的問(wèn)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(chǎng)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(zhǎng)期使用時(shí)，由于合金成份的變化或由于在中子輻射過(guò)程中元素的蛻變而發(fā)生成份不均勻，引起熱電勢(shì)的緩慢漂移。在250~650℃范圍內(nèi)加熱時(shí)，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(shì)重復(fù)性差(有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變)，從而影響了它們的測(cè)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(shì)波動(dòng)。
　　N型熱電偶是國(guó)際.上近30年來(lái)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(diǎn)，而且它的高溫抗氧化性能更強(qiáng)，測(cè)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(duì)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?yàn)殂t含量的增加，消除了K型偶在400C,600℃范圍內(nèi)的時(shí)效影響以。因?yàn)镃r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(duì)NiCr合金熱電勢(shì)穩(wěn)定性的影響見(jiàn)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(duì)NiCr合金熱電勢(shì)的影響見(jiàn)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?yàn)镹型熱電偶的負(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(huì)在150~260℃范圍內(nèi)出現(xiàn)磁性轉(zhuǎn)變而造成熱電勢(shì)偏離分度表的現(xiàn)象4。Si含量對(duì)NiSi合金熱電勢(shì)的影響見(jiàn)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(jī)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(chǎng)測(cè)溫，核場(chǎng)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(duì)后應(yīng)具有較大的熱電勢(shì)與塞貝克系數(shù)(熱電勢(shì)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(shì)。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(shí)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(shí)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(shì)明顯比K型偶緩慢。N型偶的熱電勢(shì)雖然比K型偶低一點(diǎn)，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(jī)械性能
　　由于良好的物理性能將使熱電偶保持長(zhǎng)期的電勢(shì)穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性。良好的機(jī)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(jī)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(zhǎng)期工作后仍然保持良好的物理性能，使熱電偶保持長(zhǎng)期的電勢(shì)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(duì)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(duì)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(wèn)。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(guó)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(shì)漂移的對(duì)比7。由于熱電偶長(zhǎng)期經(jīng)受高溫而造成熱電勢(shì)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(chǎng)中工作時(shí)，在熱中子和快中子流的照射下，熱電勢(shì)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(chǎng)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(dòng)力一院進(jìn)行的輻照試驗(yàn)。在該試驗(yàn)過(guò)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(diǎn)(327.3℃)進(jìn)行輻照后的分度。從上表的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在幅照前后N型偶的熱電勢(shì)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(shuō)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(duì)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(shí)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(shì)波動(dòng)。
(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(chǎng)上廣泛應(yīng)用只是時(shí)間的問(wèn)題。