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、更穩定的熱電偶，它在K型熱電偶的基礎上對其抗氧化性能、輻照嬗變、有序無(wú)序轉變和磁性轉變等方面進(jìn)行了改進(jìn)，從而提高了熱電穩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定性。測溫實(shí)踐中為了獲得最佳結果，不僅要注意熱電偶的結構，安裝和校準，更重要的是注意密切結合測溫現場(chǎng)和工況以及溫度范圍、測量精度來(lái)選擇適合的熱電穩定性更高的熱電偶。特別是在核電站這樣一些領(lǐng)域內使用的熱電偶，對它們進(jìn)行復校和更換很困難，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(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用。然而K型熱電偶材料本身存在著(zhù)較大的缺憾,如在高溫下長(cháng)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，引起熱電勢的緩慢漂移。在250~650℃范圍內加熱時(shí)，由于鎳鉻極(KP)合金的原子晶格出現不均勻的短程有序引起熱電勢重復性差(有序-無(wú)序轉變)，從而影響了它們的測溫精度。在150~260℃范圍內，鎳硅極(KN)發(fā)生磁性轉變也引起熱電勢波動(dòng)。
　　N型熱電偶是國際.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，測溫范圍更廣、更準確。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℃范圍內的時(shí)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.內的短程有序轉變及自旋現象較小。Cr含量對NiCr合金熱電勢穩定性的影響見(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氧化轉變?yōu)橥庋趸?，至使氧化反應僅在表面進(jìn)行。Si含量對NiCr合金熱電勢的影響見(jiàn)圖2。
 
　　N型熱電偶的負極(NN)較K型熱電偶的負極(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變，使其轉變溫度降至室溫以下，使N型熱電偶不會(huì )在150~260℃范圍內出現磁性轉變而造成熱電勢偏離分度表的現象4。Si含量對NiSi合金熱電勢的影響見(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,其熱電極配對后應具有較大的熱電勢與塞貝克系數(熱電勢率)，能具有較似于線(xiàn)性的函數關(guān)系，且熱電特性具有良好的穩定性和均勻性。此外，還要求每批材料具有良好的復現性21。表2列出K型與N型熱電偶的塞貝克系數與熱電勢。從表2中的數據我們可以看到:N型熱電偶的塞貝克系數雖然略低于K型,但K型偶在500"C時(shí)塞貝克系數達到最高，以后隨溫度的增高，塞貝克系數降低;而N型偶在800℃時(shí)塞貝克系數達到最高，以后隨溫度的增高，塞貝克系數雖然有所下降,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(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論:N型熱電偶較似于線(xiàn)性的函數關(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(cháng)期的電勢穩定性及復現性。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比K型熱電偶的電阻溫度系數低得多,而低的溫度系數將使熱電極長(cháng)期工作后仍然保持良好的物理性能，使熱電偶保持長(cháng)期的電勢穩定性和復現性。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(wèn)。這也是為什么N型熱電偶比K型熱電偶更穩定,較似于線(xiàn)性的函數關(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構的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(cháng)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定性及復現性。
 
2.2.3核反應的比較
　　由于當熱電偶在核場(chǎng)中工作時(shí)，在熱中子和快中子流的照射下，熱電勢輸出將不穩定而慢慢變化。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，最終導致熱電偶在核場(chǎng)中性能不穩定。
 
　　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。在該試驗過(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。從上表的數據可見(jiàn)，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(shuō)明N型偶比K型偶具有更好的耐輻照性能。
 
3結論
　　由上面的對比，我們不難得出這樣的結論:
(1)N型偶克服了K型偶在250℃~650℃時(shí)存在的短程有序轉變及自旋現象。
(2)N型偶克服了K型偶在150~260℃范圍內發(fā)生磁性轉變而引起的熱電勢波動(dòng)。
(3)N型偶較似于線(xiàn)性的函數關(guān)系比K型偶好。
(4)N型偶比K型偶有更好的熱電穩定性、均勻性及復現性。
(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)上廣泛應用只是時(shí)間的問(wèn)題。