鎳鉻-鎳硅熱電偶特性分析與應用

摘要:以鎳鉻-鎳硅熱電偶在火箭發動機試驗中的應用為研究對象。對其特性和影響測量的主要因素進行了論述。對鎳鉻-鎳硅熱電偶在使用中的劣化問題進行了研究和探討，結果表明重復使用后的鎳鉻-鎳硅熱電偶的劣化是不可避免的，其劣化程度隨封裝形式、使用溫度、直徑及使用時間的不同而異，并根據多次試驗數據的積累，總結出了相應的處理方法。
0引言
　　鎳鉻-鎳硅熱電偶廣泛應用于火箭發動機高溫測量。使用形式上，一種為鎧裝結構，主要用于測量火箭發動機管道溫度;一種為偶絲貼面形式的表面熱電偶，主要用于測量火箭發動機表面溫度。溫度的準確測量對火箭發動機設計、研制及制造工藝有重要意義。由于鎳鉻-鎳硅熱電偶特性與其他熱電偶有很大的差異，使用中影響其測溫的因素很多，而火箭發動機試驗時對測溫的特殊要求，給溫度的準確測量帶來很多難題。
　　關于熱電偶的劣化問題，上個世紀60年代以來美國及歐洲一些國家對熱電偶應用中的劣化問題進行了大量的試驗研究，我國上個世紀90年代也開始了有關熱電偶劣化的研究工作，但大多集中在冶煉和熱處理行業，有關熱電偶在航天領域應用中的劣化研究可參考的文獻很少。以鎳鉻-鎳硅熱電偶在火箭發動機試驗中的應用為研究對象，對其特性、影響測溫的主要因素進行了分析。重點對鎳鉻-鎳硅熱電偶重復使用中的劣化問題進行了分析、探討，并提出了解決方法和對策。
1鎳鉻-鎳硅熱電偶主要特性
　　在高溫測量中，鎳鉻-鎳硅熱電偶是使用最多的一種,其測溫范圍隨偶絲直徑增大而升高。目前，火箭發動機試驗中所用鎳鉻-鎳硅為I級(允差:±1.5或+0.004t)，偶絲直徑以0.3mm和0.5mm兩種為主。這里對與其他熱電偶進行對比分析。.
1.1主要優點.
　　與其他熱電偶相比，鎳鉻-鎳硅的優點主要有:熱電勢與溫度關系近似線性，耐高溫性能好，靈敏度高;穩定性與均勻性好;抗氧化性能優于其他廉金屬熱電偶。
1.2短程有序結構變化(K狀態)
　　鎳鉻-鎳硅熱電偶在250℃~537℃溫度范圍內使用時"，由于其顯微結構發生變化，形成短程有序結構，因此將影響熱電勢值而產生誤差,一些研究者也把它稱為K狀態。它是Ni-Cr合金特有的晶格變化，當Cr含量在5%~30%范圍內存在著原子晶格的有序向無序轉變，由此而引起的誤差。
　　對于K狀態引起的測溫誤差，美國學者Fenton認為可達2℃的誤差"，英國學者Sibleyj認為可達3℃左右同，澳大利亞研究人員Burley認為可達8℃，國內研究者得出的結論為3℃左右。之所以研究者得出的結論不盡相同，主要是由于試驗狀態和偶絲均勻性的差異造成的。但有一點研究者得出的結論基本一致:即在450℃左右時其測溫偏差最大。使用標準溫度爐將發動機試驗所用鎳鉻-鎳硅熱電偶從300℃加熱至550℃，每50℃取一點，在測量過程中，發現隨著加溫時間和加溫速度的變化，其偏差大小也不同。與其分度值對比后，發現在450℃時偏差為1.0℃~2.3℃(正偏差)。發生上述異常現象的鎳鉻-鎳硅熱電偶，在600℃以上經短時間熱處理或使用后，其熱電特性即可恢復。由于K狀態的存在，認為對計量檢定部門來說，對該溫區判定合格與否時應慎重。
1.3鎳鉻-鎳硅熱電偶的正常氧化與擇優氧化
　　多數熱電偶以正常氧化為主，即氧化后測量示值偏高。但鎳鉻-鎳硅比較獨特，它存在正常氧化與擇優氧化。
1.3.1正常氧化
　　鎳鉻-鎳硅多次使用后，其熱電極表面形成致密的Cr203保護膜，對其內部合金具有很好的保護作用，劣化進程緩慢，其熱電勢向正方向變化，即溫度示值向偏高方向發展。
1.3.2擇優氧化
　　由于鎳鉻-鎳硅熱電偶生產工藝中存在缺陷或使用溫度過高(一般在800℃~980℃)引起.的氧化，其顯著的特征是鎳鉻中的鉻易發生“擇優氧化"，從而改變偶絲成分，導致熱電勢急劇降低，即溫度向偏低方向變化。
2鎳鉻-鎳硅熱電偶測量誤差分析
　　火箭發動機試驗中，熱電偶測量的誤差，不僅受參考端溫度的影響，也受到非測量端各接點處溫度的影響，同時重復使用的熱電偶由于熱電偶局部的金屬揮發或氧化而出現的材料不均質及不穩定性的影響，使溫度測量變得非常復雜。對于鎳鉻-鎳硅熱電偶，實際使用中以下幾個方面他對火箭發動機測量的影響是主要的。
2.1偶絲不均勻性的影響
　　工業中測溫使用中的鎳鉻-鎳硅熱電偶，有時不均勻電勢引起的測溫誤差達30℃以上。這在發動試驗中是不允許的。
由偶絲不均質產生的寄生電動勢，取決于偶絲自身的不均質程度及溫度梯度的大小，對其定量測量極其困難。在熱電偶檢定規程中，對鎳:鉻-鎳硅熱電偶不均勻熱電動勢有要求(參見表1)。但對不均質沒有要求，只有在熱電偶生產標準中，對偶絲的不均勻性有要求。
 
2.2插入深度的影響
　　鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶插人被測場所時，沿熱電偶的長度方向將產生熱流。當環境溫度低時就會有熱損失，致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產生測溫誤差。熱流的損失與插人深度和環境溫度有關，而插人深度又與保護管材質有關。金屬保護管因其導熱性能好，理論上其插人深度應該深一些。對于火箭發動機管道測溫，其插入深度與被測量介質狀態(液體、氣體、靜止或流動)有關。如流動的液體或高速氣流溫度的測量，受上述限制小，插入深度可以淺一-些，從多次使用經驗來看，其插人深度為測量管道直徑的1/2~-1/3為宜。
2.3分流誤差的影響
　　所謂分流誤差即用熱電偶測溫時，當熱電偶中間部位有超過800℃的溫度分布存在時，因偶絲兩級絕緣電阻下降，易產生的漏電現象。火箭發動機試驗中，要準確測量分流誤差很困難，但可以根據分流誤差產生的原因采取相應預防措施，在傳感器安裝中要做到以下兩點:傳感器安裝時偶絲兩極(包括補償導線)的中間部分要遠離火箭發動機高溫殼體部分;對靠近高溫部分的熱電偶要采取包石棉布等隔溫隔熱措施。
2.4參考端溫度的影響
　　火箭發動機試驗時，鎳鉻-鎳硅采用端點法求斜率k值，其計算公式如下:
 
　　式中:E為校驗電標準值，mV;ub為加電標準時采集值，mV;uob為加零位時采集值，mV;
　　熱電偶分度值均是參考端溫度為0℃時給出的，而火箭發動機試驗時參考端溫度不為0℃。其計算公式如下:
 
　　式中:u為試車溫度對應毫伏值，mV;us為試車實測毫伏值，mV;u0為零位時記錄的毫伏值,mV;k為熱電偶校驗斜率;uk為參考點溫度對應的毫伏值，mV。
　　由公式(2)可以看出，參考端溫度uk的準確測量對鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫有直接影響。目前參考端溫度采用A級鉑電阻傳感器實時測量。
3鎳鉻-鎳硅熱電偶的劣化及對策
　　在高溫下鉻的選擇性氧化導致鉻含量降低，是K型熱電偶劣化的主要原因。目前，火箭發動機試驗用的兩種形式的熱電偶中，鎧裝熱電偶因使用了保護套管,其壽命長，劣化速度較慢，因其測量端焊接在保護管感溫端的內壁上，一旦出現嚴重劣化，不易修復;表面熱電偶為裸露使用，易劣化、易損壞，但根據其損壞程度是可以修復的。
3.1鎧裝熱電偶
1)對于鎳鉻鎳硅鎧裝熱電偶而言，生產加工中不能使偶絲中有殘留畸變產生，否則有可能引起熱電偶劣化或特性漂移。
2)測量端封頭處如有微小裂紋或裂縫存在，潮濕氣體有可能侵人，使測量端偶絲緩慢氧化。所以，在每次使用中要對其封頭處仔細檢查,并定期對其熱電特性做檢定。
3.2表面熱電偶
　　按通用習慣，其損壞程度分為4種:輕度、中度、較嚴重及嚴重損壞，其外觀如表2所示。輕度、中度的損壞可修復;較嚴重損壞要視損壞程度決定繼續使用或報廢;嚴重損壞的熱電偶,一般無法修復。據對某型號發動機25次熱試車中鎳鉻-鎳硅表面熱電偶使用情況的統計，輕度損壞約占20%、中度損壞約占40%、較嚴重損壞約25%，嚴重損壞約15%;偶絲直徑越細，使用溫度越高和時間越長的偶絲劣化或損壞越嚴重。
 
　　使用后的鎳鉻-鎳硅熱電偶其劣化是不可避免的。特別是重復使用過的鎳鉻-鎳硅熱電偶,因其長期用于高溫測量，損壞及劣化程度均高于其他熱電偶，工業用表面熱電偶外理方法是對測量端進行清洗和專業的退火處理，之后進行檢定，其費用很高。在檢定有效期內，從節約試驗成本角度考慮，試車用傳感器不宜采用退火處理后重復檢定的方法，根據多次試驗數據積累及經驗，總結出了一套有效的處理方法如下:
1)對輕度、中度損壞的，首先沿測量端剪去受污染或氧化部分，確認測量端外屏蔽保護層沒有硬化、變色等現象后，重新制作測量端;
2)嚴重損壞的，應做報廢處理;對較嚴重損壞的，如果整個表面熱電偶沿長度方向保護套管或屏蔽層均有不間斷燒蝕或裸露現象，則此傳感器應報廢;如果只是沿測量端方向三分之一被損壞其余部分完好，則剪掉被損壞的表面熱電偶后重新制作測量端，并對新修復的傳感器做驗證試驗，以確保其熱電特性的穩定。
　　驗證試驗的測溫范圍應包括使用溫度的上、下限。可任選兩種測試方法，一種是比較測量法，即將試驗熱電偶和標準熱電偶置于標準恒溫測試爐中，且同樣的插人深度，然后測出試驗熱電偶與標準熱電偶的差值即為其不穩定電勢;另一種方法是將試驗熱電偶置于恒溫測試爐中，偶絲在爐內深度約300mm，根據測溫范圍確定檢定點溫度，然后測出相應點的熱電勢，并與對應的分度值比對，確定是否在其允差范圍內。
4結論
1)鎳鉻-鎳硅熱電偶存在K狀態，擇優氧化特征明顯，試驗和檢定過程中應注意防止差錯。
2)鎳鉻-鎳硅熱電偶的不均勻性、插人深度、分流誤差及參考端溫度等測溫誤差是影響測溫準確度的主要因素。
3)使用后的鎳鉻-鎳硅熱電偶其劣化是不可避免的。劣化是-一個量變過程，對其定量十分困難，其劣化程度隨封裝形式、使用溫度、直徑及使用時間的不同而異。