鎳鉻-鎳硅熱電偶特性分析與應(yīng)用

摘要:以鎳鉻-鎳硅熱電偶在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用為研究對(duì)象。對(duì)其特性和影響測(cè)量的主要因素進(jìn)行了論述。對(duì)鎳鉻-鎳硅熱電偶在使用中的劣化問題進(jìn)行了研究和探討，結(jié)果表明重復(fù)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(shí)間的不同而異，并根據(jù)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，總結(jié)出了相應(yīng)的處理方法。
0引言
　　鎳鉻-鎳硅熱電偶廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高溫測(cè)量。使用形式上，一種為鎧裝結(jié)構(gòu)，主要用于測(cè)量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管道溫度;一種為偶絲貼面形式的表面熱電偶，主要用于測(cè)量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度。溫度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、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(cè)溫的因素很多，而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)對(duì)測(cè)溫的特殊要求，給溫度的準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)很多難題。
　　關(guān)于熱電偶的劣化問題，上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)美國(guó)及歐洲一些國(guó)家對(duì)熱電偶應(yīng)用中的劣化問題進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，我國(guó)上個(gè)世紀(jì)90年代也開始了有關(guān)熱電偶劣化的研究工作，但大多集中在冶煉和熱處理行業(yè)，有關(guān)熱電偶在航天領(lǐng)域應(yīng)用中的劣化研究可參考的文獻(xiàn)很少。以鎳鉻-鎳硅熱電偶在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用為研究對(duì)象，對(duì)其特性、影響測(cè)溫的主要因素進(jìn)行了分析。重點(diǎn)對(duì)鎳鉻-鎳硅熱電偶重復(fù)使用中的劣化問題進(jìn)行了分析、探討，并提出了解決方法和對(duì)策。
1鎳鉻-鎳硅熱電偶主要特性
　　在高溫測(cè)量中，鎳鉻-鎳硅熱電偶是使用最多的一種,其測(cè)溫范圍隨偶絲直徑增大而升高。目前，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中所用鎳鉻-鎳硅為I級(jí)(允差:±1.5或+0.004t)，偶絲直徑以0.3mm和0.5mm兩種為主。這里對(duì)與其他熱電偶進(jìn)行對(duì)比分析。.
1.1主要優(yōu)點(diǎn).
　　與其他熱電偶相比，鎳鉻-鎳硅的優(yōu)點(diǎn)主要有:熱電勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性，耐高溫性能好，靈敏度高;穩(wěn)定性與均勻性好;抗氧化性能優(yōu)于其他廉金屬熱電偶。
1.2短程有序結(jié)構(gòu)變化(K狀態(tài))
　　鎳鉻-鎳硅熱電偶在250℃~537℃溫度范圍內(nèi)使用時(shí)"，由于其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構(gòu)，因此將影響熱電勢(shì)值而產(chǎn)生誤差,一些研究者也把它稱為K狀態(tài)。它是Ni-Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)Cr含量在5%~30%范圍內(nèi)存在著原子晶格的有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變，由此而引起的誤差。
　　對(duì)于K狀態(tài)引起的測(cè)溫誤差，美國(guó)學(xué)者Fenton認(rèn)為可達(dá)2℃的誤差"，英國(guó)學(xué)者Sibleyj認(rèn)為可達(dá)3℃左右同，澳大利亞研究人員Burley認(rèn)為可達(dá)8℃，國(guó)內(nèi)研究者得出的結(jié)論為3℃左右。之所以研究者得出的結(jié)論不盡相同，主要是由于試驗(yàn)狀態(tài)和偶絲均勻性的差異造成的。但有一點(diǎn)研究者得出的結(jié)論基本一致:即在450℃左右時(shí)其測(cè)溫偏差最大。使用標(biāo)準(zhǔn)溫度爐將發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所用鎳鉻-鎳硅熱電偶從300℃加熱至550℃，每50℃取一點(diǎn)，在測(cè)量過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著加溫時(shí)間和加溫速度的變化，其偏差大小也不同。與其分度值對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)在450℃時(shí)偏差為1.0℃~2.3℃(正偏差)。發(fā)生上述異常現(xiàn)象的鎳鉻-鎳硅熱電偶，在600℃以上經(jīng)短時(shí)間熱處理或使用后，其熱電特性即可恢復(fù)。由于K狀態(tài)的存在，認(rèn)為對(duì)計(jì)量檢定部門來(lái)說(shuō)，對(duì)該溫區(qū)判定合格與否時(shí)應(yīng)慎重。
1.3鎳鉻-鎳硅熱電偶的正常氧化與擇優(yōu)氧化
　　多數(shù)熱電偶以正常氧化為主，即氧化后測(cè)量示值偏高。但鎳鉻-鎳硅比較獨(dú)特，它存在正常氧化與擇優(yōu)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(hù)膜，對(duì)其內(nèi)部合金具有很好的保護(hù)作用，劣化進(jìn)程緩慢，其熱電勢(shì)向正方向變化，即溫度示值向偏高方向發(fā)展。
1.3.2擇優(yōu)氧化
　　由于鎳鉻-鎳硅熱電偶生產(chǎn)工藝中存在缺陷或使用溫度過(guò)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(fā)生“擇優(yōu)氧化"，從而改變偶絲成分，導(dǎo)致熱電勢(shì)急劇降低，即溫度向偏低方向變化。
2鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量誤差分析
　　火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，熱電偶測(cè)量的誤差，不僅受參考端溫度的影響，也受到非測(cè)量端各接點(diǎn)處溫度的影響，同時(shí)重復(fù)使用的熱電偶由于熱電偶局部的金屬揮發(fā)或氧化而出現(xiàn)的材料不均質(zhì)及不穩(wěn)定性的影響，使溫度測(cè)量變得非常復(fù)雜。對(duì)于鎳鉻-鎳硅熱電偶，實(shí)際使用中以下幾個(gè)方面他對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量的影響是主要的。
2.1偶絲不均勻性的影響
　　工業(yè)中測(cè)溫使用中的鎳鉻-鎳硅熱電偶，有時(shí)不均勻電勢(shì)引起的測(cè)溫誤差達(dá)30℃以上。這在發(fā)動(dòng)試驗(yàn)中是不允許的。
由偶絲不均質(zhì)產(chǎn)生的寄生電動(dòng)勢(shì)，取決于偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對(duì)其定量測(cè)量極其困難。在熱電偶檢定規(guī)程中，對(duì)鎳:鉻-鎳硅熱電偶不均勻熱電動(dòng)勢(shì)有要求(參見表1)。但對(duì)不均質(zhì)沒有要求，只有在熱電偶生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)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(cè)場(chǎng)所時(shí)，沿?zé)犭娕嫉拈L(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失，致使熱電偶與被測(cè)對(duì)象的溫度不一致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。熱流的損失與插人深度和環(huán)境溫度有關(guān)，而插人深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，理論上其插人深度應(yīng)該深一些。對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管道測(cè)溫，其插入深度與被測(cè)量介質(zhì)狀態(tài)(液體、氣體、靜止或流動(dòng))有關(guān)。如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測(cè)量，受上述限制小，插入深度可以淺一-些，從多次使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其插人深度為測(cè)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(cè)溫時(shí)，當(dāng)熱電偶中間部位有超過(guò)800℃的溫度分布存在時(shí)，因偶絲兩級(jí)絕緣電阻下降，易產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，要準(zhǔn)確測(cè)量分流誤差很困難，但可以根據(jù)分流誤差產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)預(yù)防措施，在傳感器安裝中要做到以下兩點(diǎn):傳感器安裝時(shí)偶絲兩極(包括補(bǔ)償導(dǎo)線)的中間部分要遠(yuǎn)離火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高溫殼體部分;對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，鎳鉻-鎳硅采用端點(diǎn)法求斜率k值，其計(jì)算公式如下:
 
　　式中:E為校驗(yàn)電標(biāo)準(zhǔn)值，mV;ub為加電標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采集值，mV;uob為加零位時(shí)采集值，mV;
　　熱電偶分度值均是參考端溫度為0℃時(shí)給出的，而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)參考端溫度不為0℃。其計(jì)算公式如下:
 
　　式中:u為試車溫度對(duì)應(yīng)毫伏值，mV;us為試車實(shí)測(cè)毫伏值，mV;u0為零位時(shí)記錄的毫伏值,mV;k為熱電偶校驗(yàn)斜率;uk為參考點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的毫伏值，mV。
　　由公式(2)可以看出，參考端溫度uk的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)溫有直接影響。目前參考端溫度采用A級(jí)鉑電阻傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量。
3鎳鉻-鎳硅熱電偶的劣化及對(duì)策
　　在高溫下鉻的選擇性氧化導(dǎo)致鉻含量降低，是K型熱電偶劣化的主要原因。目前，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用的兩種形式的熱電偶中，鎧裝熱電偶因使用了保護(hù)套管,其壽命長(zhǎng)，劣化速度較慢，因其測(cè)量端焊接在保護(hù)管感溫端的內(nèi)壁上，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，不易修復(fù);表面熱電偶為裸露使用，易劣化、易損壞，但根據(jù)其損壞程度是可以修復(fù)的。
3.1鎧裝熱電偶
1)對(duì)于鎳鉻鎳硅鎧裝熱電偶而言，生產(chǎn)加工中不能使偶絲中有殘留畸變產(chǎn)生，否則有可能引起熱電偶劣化或特性漂移。
2)測(cè)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(cè)量端偶絲緩慢氧化。所以，在每次使用中要對(duì)其封頭處仔細(xì)檢查,并定期對(duì)其熱電特性做檢定。
3.2表面熱電偶
　　按通用習(xí)慣，其損壞程度分為4種:輕度、中度、較嚴(yán)重及嚴(yán)重?fù)p壞，其外觀如表2所示。輕度、中度的損壞可修復(fù);較嚴(yán)重?fù)p壞要視損壞程度決定繼續(xù)使用或報(bào)廢;嚴(yán)重?fù)p壞的熱電偶,一般無(wú)法修復(fù)。據(jù)對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)25次熱試車中鎳鉻-鎳硅表面熱電偶使用情況的統(tǒng)計(jì)，輕度損壞約占20%、中度損壞約占40%、較嚴(yán)重?fù)p壞約25%，嚴(yán)重?fù)p壞約15%;偶絲直徑越細(xì)，使用溫度越高和時(shí)間越長(zhǎng)的偶絲劣化或損壞越嚴(yán)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(fù)使用過(guò)的鎳鉻-鎳硅熱電偶,因其長(zhǎng)期用于高溫測(cè)量，損壞及劣化程度均高于其他熱電偶，工業(yè)用表面熱電偶外理方法是對(duì)測(cè)量端進(jìn)行清洗和專業(yè)的退火處理，之后進(jìn)行檢定，其費(fèi)用很高。在檢定有效期內(nèi)，從節(jié)約試驗(yàn)成本角度考慮，試車用傳感器不宜采用退火處理后重復(fù)檢定的方法，根據(jù)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累及經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一套有效的處理方法如下:
1)對(duì)輕度、中度損壞的，首先沿測(cè)量端剪去受污染或氧化部分，確認(rèn)測(cè)量端外屏蔽保護(hù)層沒有硬化、變色等現(xiàn)象后，重新制作測(cè)量端;
2)嚴(yán)重?fù)p壞的，應(yīng)做報(bào)廢處理;對(duì)較嚴(yán)重?fù)p壞的，如果整個(gè)表面熱電偶沿長(zhǎng)度方向保護(hù)套管或屏蔽層均有不間斷燒蝕或裸露現(xiàn)象，則此傳感器應(yīng)報(bào)廢;如果只是沿測(cè)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(cè)量端，并對(duì)新修復(fù)的傳感器做驗(yàn)證試驗(yàn)，以確保其熱電特性的穩(wěn)定。
　　驗(yàn)證試驗(yàn)的測(cè)溫范圍應(yīng)包括使用溫度的上、下限。可任選兩種測(cè)試方法，一種是比較測(cè)量法，即將試驗(yàn)熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶置于標(biāo)準(zhǔn)恒溫測(cè)試爐中，且同樣的插人深度，然后測(cè)出試驗(yàn)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的差值即為其不穩(wěn)定電勢(shì);另一種方法是將試驗(yàn)熱電偶置于恒溫測(cè)試爐中，偶絲在爐內(nèi)深度約300mm，根據(jù)測(cè)溫范圍確定檢定點(diǎn)溫度，然后測(cè)出相應(yīng)點(diǎn)的熱電勢(shì)，并與對(duì)應(yīng)的分度值比對(duì)，確定是否在其允差范圍內(nèi)。
4結(jié)論
1)鎳鉻-鎳硅熱電偶存在K狀態(tài)，擇優(yōu)氧化特征明顯，試驗(yàn)和檢定過(guò)程中應(yīng)注意防止差錯(cuò)。
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(cè)溫誤差是影響測(cè)溫準(zhǔn)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(gè)量變過(guò)程，對(duì)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(shí)間的不同而異。