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            降低K型熱電偶的老化和漂移影響的幾個措施

            來源: 作者:羅伯特·托格森 發布日期:2020-10-30

                   隨著反復暴露在高溫下,K型熱電偶的精度降低。老化是導致溫度讀數高于準確度的現象,而漂移則導致讀數低于準確度的現象。盡管所有K型熱電偶都會老化和漂移,但非常佳實踐可以非常大程度地降低風險并延長熱電偶壽命。

             
            可靠,耐用和廉價的K型熱電偶通常用于許多行業。標準的礦物絕緣(MI)K型熱電偶包含三種金屬,所有這些都會影響其老化和漂移。
             
            在這種熱電偶的類型,正導體由鎳鉻的®(鎳和鉻合金)和負導體由鎳鋁合金的®(鎳,錳,硅和鋁的合金)。涉及的第三種金屬是保護套,其通常由不銹鋼或類似合金,鎳合金或鈍化鎳合金制成。
             
            在談論熱電偶輸出如何隨著時間的推移而變得不那么精確時,老化和 漂移通常會互換使用,以響應溫度和運動。出于本文的目的,K型熱電偶的老化是在600°F(316°C)和1200°F(649°C)之間發生的現象。老化會導致傳感器溫度讀數略有增加。同樣出于本文的目的,K型熱電偶的漂移是在1200°F(649°C)以上時發生的現象,并且可能導致溫度讀數顯著下降。
             
            以下信息基于行業發現以及WIKA USA正在進行的研發。
             
            K型熱電偶的老化和短程訂購
             
            短程有序(SRO)是一種物質狀態,其中原子僅在短距離上規則且可預測地排列。對于鐵磁性和反鐵磁性金屬,SRO指的是電子自旋從排列狀態(均指向磁性北向)到隨機性稍強的無序狀態。這種冶金特性會影響K型熱電偶,無論導線尺寸如何,熱電偶的制造商電線,或成品MIMS(礦物絕緣金屬護套)電纜的制造商,通常稱為金屬護套TI。
             
            電磁紊亂
            高于居里溫度,除非施加磁場,否則磁性自旋會隨機排列。
             
            老化的特征是金屬結構的磁混亂,這會導致熱電偶的溫度讀數發生微小變化。導體中的鎳是磁性的。當鎳達到居里溫度時[i]在 669°F(354°C)下,其磁性能開始改變和減弱,這影響了由異種金屬的結產生的電壓差。
            磁性訂購
            在居里溫度以下,即使沒有磁場,相鄰的磁性自旋也會對準鐵磁體。
            短程訂購發生在600–900°F(316–482°C)的溫度范圍內。在較小的程度上,它也可能在900–1,200°F(482–649°C)的范圍內發生?梢酝ㄟ^在大約1,600–1,650°F(871-899°C)的退火步驟來糾正這種偏移,但由于這是K型焊絲合金的特征,因此將再次成為一個因素。發生多個導致SRO的事件時,偏移量會減小,正常的非常大溫度偏差通常為+ 5°F至+ 6°F。
             
            以下是帶有退火護套的K型熱電偶的溫度讀數預期變化的典型進展示例。
             
            1. 開始條件:熱電偶的溫度讀數正常(通過與恒溫參考探頭進行比較(在溫控浴中)進行驗證)。溫度讀數為700°F(371.1°C)。
            2. 該熱電偶要么在700°F的溫度下投入使用,要么在700°F的溫度下回到同一校準槽中。由于訂購范圍短,新的溫度讀數為702°F(372.2°C),增加了2°F。
            3. 該熱電偶的磁性降低并且正在老化。當將其重新投入使用時(恰好在700°F(華氏度))或放回同一校準槽中時,新的溫度讀數為703.5°F(373°C),增加了1.5°F。
            4. 重復步驟3。新的溫度讀數為704.5°F(373.6°C),增加了1°F。
            5. 重復步驟4。新的溫度讀數為705°F(373.9°C),增加了0.5°F。此后,溫度讀數的任何變化都非常小。高于1200°F(649°C),溫度讀數的變化將慢慢“校正”回原始校準值。
            其他類型的熱電偶也會遇到SRO,因此溫度輸出會上升。例如,在J型熱電偶中,一根導線是鐵,當其達到1,418°F(770°C)的居里溫度時,它開始老化。
             
            什么是熱電偶漂移?
            漂移通常是熱電偶溫度讀數的下降,可能是幾種不同現象的結果。漂移將繼續降低溫度讀數,甚至可能導致熱電偶故障。通常,此故障發生在偏離原始溫度25°F的溫度處或之前。
             
            與漂移有關的冶金現象可以區分為:
            • 表面修飾,與由于熱電元件和熱電元件周圍環境之間的相互作用而導致的熱電元件變化有關。
            • 大量修改,與熱電偶的體積變化有關。
            表面修改可以顯示為:
            • 氧化(裸線配置)
            • 熱電偶中的元素耗盡(裸線/ MIMS配置)
            • 來自環境的污染(裸線/ MIMS配置)
            • 與絕緣體的相互作用(MIMS配置)
            • 與護套的相互作用(MIMS配置)
            在批量修改中,可以觀察到以下現象:
            • 相變
            • 谷物生長
            • 殘余應變和位錯an滅
            • 重結晶
            熱電偶系統,尤其是放置在燃燒加熱器中的系統,可能會經歷老化和漂移。但是,很難預測甚至無法預測對經歷溫度梯度作為其正常運行一部分的熱電偶系統的實際影響。
             
            如何非常小化K型熱電偶的老化和漂移
            在許多燃燒加熱器中,爐管的溫度低于1200°F(649°C)(老化區),而煙氣則遠遠高于2,000°F(1093C)(漂移區)。老化是可以預測的,而漂移則難以預測,破壞性更大,并導致系統故障。
             
            以下是有關管式熱電偶(TSTC)加熱器的一些非常佳做法:
            • 盡量減少熱電偶上的輻射/對流熱量。換句話說,嘗試在管的非常冷的部分上運行熱電偶。對于雙射設計,這可能是一半,而不是一側或另一側。
            • 平衡的屏蔽設計有助于將輻射/對流熱轉換為傳導熱。
            • 保持盡可能多的TSTC與試管緊密接觸。當管子變成散熱器時,這一點非常重要。必須使用足夠數量的夾子以防止間隙。任何間隙都會使管子更接近煙氣溫度,這將使熱電偶進入漂移區并非常終損壞傳感器。
            • 非常小化或消除管外布線。非常好使TSTC沿著管子運行到與管子成一直線的出口,而不是從管子到垂直于管子的壁出口有較大的跳躍。陶瓷纖維的包裹物(例如Kaowool)是防止灰分相關的助焊劑問題的良好屏障,但是包裹物不能使熱電偶保持涼爽,也不能使傳感器脫離管外跳變長的漂移區。
            • 活塞式出口優于膨脹線圈。彎曲會增加漂移的可能性,而活塞式出口可以非常大程度地減少或消除這種風險。對于像焦化機這樣的高爐,盡可能使用活塞式出口尤為重要。
            • 如果無法使用活塞式出口,請使用較小的膨脹線圈進行補償。 由于多余的材料會吸收更多的表面積來吸收熱量,因此重要的是非常小化線圈的尺寸,并在受輻射/對流熱影響的區域中隱藏盡可能多的材料。 三到四個小線圈通常比一個大環路更可取。
            • 選擇護套材料時,以溫度為標準。 在使用管溫度進行確定時,請注意是否使用了長跳管的次優路徑。升級到I600或Pyrocil D護套可以幫助減少(但不能消除)漂移,并延長熱電偶壽命。
             
            由于K型熱電偶中使用的金屬的特性,會發生老化和漂移。當前不可能制造無漂移或無老化的熱電偶。但是,像Catherine Rae博士和Michele Scervini博士這樣的材料科學家正在積極地進行冶金修改,以創建K型和其他熱電偶的減少漂移的版本。
             
            Scervini的這篇文章詳細介紹了漂移,漂移發生的原因以及溫度激活的冶金學變化。本文(Scervini&Rae 2013)發表在《燃氣輪機和動力工程》 雜志上, 討論了一種改進的鎳基MIMS熱電偶,適用于高溫燃氣輪機應用。 
            易老化和漂移的區域
            在此插圖中,綠色框顯示了通常容易老化的區域。紅色框顯示了可能易于漂移并因此導致熱電偶損壞的區域。
            在此插圖中,綠色框顯示了通常容易老化的區域。紅色框顯示了可能易于漂移并因此導致熱電偶損壞的區域。
             
            [i]也稱為居里點(以Pierre Curie命名),這是某些磁性材料的磁性發生急劇變化的溫度。在居里點以下,充當微小磁體的原子自發地在某些磁性材料中對齊。在鐵磁材料中,原子磁體在每個微觀區域(疇)內的方向相同,因此它們的磁場相互增強。在反鐵磁材料中,原子磁體在相反的方向上交替排列,因此它們的磁場相互抵消。在鐵磁性材料中,自發排列是兩種模式的組合,通常涉及兩個不同的磁性原子,因此僅發生磁場的部分增強。將這三種材料中的任何一種材料的溫度提高到居里點都完全破壞了各種自發的排列,僅剩下了一種較弱的更一般的磁性行為,即順磁性。
             
            相關產品推薦:鎧裝熱電偶、吹氣熱電偶、WRN2-430NM耐磨熱電偶

             

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