如何選擇礦物絕緣熱電偶的護套

H.L. Daneman, P.E.

簡介

礦物絕緣金屬護套(MIMS)熱電偶包含配 套的熱電偶線，這些熱電偶線由通過軋 制、拉伸或旋鍛等方式壓縮直到減小 護套直徑的絕緣材料（通常是氧化鎂） 包裹。MIMS熱電偶的優勢包括：

• 實現熱電偶線與周圍環境的化學隔離。
• 屏蔽電干擾源對熱電偶的干擾。
• 熱電偶線和絕緣層免受沖擊損壞。
• 總裝允許彎曲，靈活性。

二十年來，人們夸大了MIMS結構的性能。與非護套元件相比，MIMS結構頻繁出現的 情況是：性較低、耐久性較差，且溫 度限制也較低。在400°C (750°F)以上的環 境中使用時，含鎳MIMS熱電偶特別容易出 現校準不穩和壽命縮短等問題，而這是使 用和選擇熱電偶時要著重考慮的因素。

滯后

熱電滯后是導致校準不穩的一個重要因素。 滯后是鎳鉻合金（如K型）在溫度為200°C 和600°C（常發生在400°C）之間時發 生的一種短期有序／無序現象。其表現是 熱電偶溫度在此溫度范圍內周期變化時， 校準也會出現幾度的變化。在200?C和 1000?C（常發生在750°C）之間加熱或 冷卻時，N型熱電偶的滯后可高達5°C。在 900°C時滯后為2°C到3°C。舉例來說，如 果在500°C以下使用K型熱電偶，可以通過 在450°C時進行整夜退火處理來減少滯后。

氧化

氧化是會影響校準的另一種現象。由于氧 化現象，Ni-Cr-AI合金（例如鎳鉻合金*）在500°C以上空氣環境中的壽命有限。 有一種特殊形式的氧化被稱為"線朽鉻線"(Green Rot)，它是指在含氧量低的環境（例如空氣有限且不流通的護套中）中發 生選擇性鉻氧化。鎳鉻硅的抗氧化溫度高達約1250?C (2300?F)，并且不會出現線朽鉻線。

幾種稱為"Nicrobell"(**)的新型護套材 料都包含鈮含量為1.5%或3.0%的鎳鉻 硅。Nicrobell"A"是為抗氧化而特制的。 另外一種稱為Nicrosil +(***)的護套材料包 含鎳鉻硅和0.15%的鎂。據報告（見參考 文獻4），與一些經過測試的Nicrobell材料 相比，這種材料不易剝落，而且壽命可能 會更長。

鎳鉻硅本身對還原氣體（大部分燃燒過程 或許多熱處理過程的產物）的耐受能力不 高。將鎳鉻硅用作護套材料的其他改造方

法（如Nicrobell B、C和D）可用于應對典 型的非氧化環境。

污染

影響校準穩定性的第三個因素是污染。礦物絕緣、一體化設計、金屬護套熱電偶背后的理念是，對包裹熱電偶線和填充護 套的極細礦物氧化物（通常為氧化鎂）絕緣層進行均勻壓縮能密封內部空間，從而污染。通過旋鍛、軋制或拉伸壓縮 的絕緣體85%左右是固體材料。這很有用，因為管材可以彎曲，也可以制造直徑更小的組件。但是，它確實可能發生氣 體（如水蒸氣或空氣）侵入的現象。組成熱電偶線或護套的元件也可能發生蒸汽擴散。Bentley和Morgan斷定，透過氧化鎂 絕緣層的錳蒸汽相擴散對熱電偶校準的影響大。

金屬疲勞

金屬疲勞是熱電偶壽命縮短的另一個原因。護套和熱電偶線之間的溫度線性膨脹系數差異能導致加熱或冷卻時發生應變。這些 應變會因金屬疲勞終導致斷裂。加熱到900?C時，鎳硅電偶合金與304不銹鋼的熱膨脹差異為長度的0.4%。鎳鉻硅與鎳硅 （支腿容易斷裂）相比，兩者的膨脹系數差0.05%。因此，對于N型熱電偶的支腿來說，鎳鉻硅、Nicrosil+或Niobell制成 的護套比不銹鋼護套的抗金屬疲勞性要好。

成分

不銹鋼護套熱電偶的成分變化通常高于Inconel (****)護套熱電偶。Anderson等人進行的測試表明，KN支腿會出現鉻元素增

加，鋁元素減少。這些成分變化是導致熱電偶發生校準變化的主要因素。

大多數不銹鋼的含錳量為1%到2%。304不銹鋼的含錳量約為2%。其他不銹鋼的錳濃度在1%到10%之間。Inconel的含錳 量高達1%。根據經驗，在1100?C時持續1000小時，護套材料中每1%的錳能導致出現-10?C的校準偏移。根據Bentley的測試， 在1200?C時，直徑為3 mm的N型不銹鋼護套在1000小時內漂移-24?C。

濕度

護套內的水蒸氣會產生多方面的影響。它能迅速被氧化鎂吸收，從而降低絕緣電阻。濕氣侵入可以在短短幾分鐘之內毀掉 MIMS熱電偶組件。輕而言之，它會鎳鉻合金表面的氧化涂層，進而加速損壞熱電偶組件。因水蒸氣而導致的變化 后果非常嚴重，能使絕緣電阻降低，足以使受影響的熱電偶失效。絕緣電阻降低，能導致形成開路后出現具誤導性的溫度讀 數、提早失效，甚讀數錯誤。

在熱電偶制造或維修過程中可以引入水蒸氣，甚會因空運或在建筑工地長期存儲（例如六個月）過程中產生的氣壓變化而引入水蒸氣。

建議

雖然上述內容未提及，但這些熱電偶材料的直徑與高溫環境下的穩定性和長壽命之間存在著一定的關系。在高溫環境下，支 撐電加熱器的磚表面會變為導體。這會導致電流通過熱電偶護套（也可能通過測量儀器）傳導到地面。

圖1. 1200°C真空環境中直徑3 mm不銹鋼護套及Inconel 600護套K型和鎳鉻硅熱電偶 漂移與鎳硅熱電偶漂移的比較。漂移曲線中的波谷是"地非均勻性測試"的結果，測試取樣是從爐中取出的5 cm。

圖2. 維持在1100°C的N型熱電偶的原位漂移。曲線分別表示空氣中帶有外徑為3mm的310 不銹鋼(SS)或鎳鉻硅(NCR)護套的礦物絕緣金屬護套熱電偶，以及1.6mm裸線熱電偶。后者的漂移范圍也已指明。

應避免在溫度較高或腐蝕性的工業環 境中使用精細的金屬護套熱電偶（細到1 mm）。

對礦物絕緣、金屬護套的熱電偶來說，與鎳鉻熱電偶（如K型或N型）配合使用時，不銹鋼護套的比Inconel 600或改 良的鎳鉻硅護套差。改良的鎳鉻硅護套熱電偶可在高達1100°C（N型為1200°C到1250°C）時提供更強的抗氧化能力、降低 因熱膨脹差異導致的故障、延展性并因不銹鋼或Inconel中錳的蒸汽擴散引起的漂移問題。

考慮到較新材料的供貨現狀，用戶可以選擇低錳（0.3%或更少）Inconel金屬護套K型MIMS熱電偶，直到改良的鎳鉻硅金屬 護套K型或N型及相應的支持數據成熟。

(*) CHROMEL是Hoskins Manufacturing Co.的商標。

(**) NICROBELL是NICROBELL Pty. Ltd的商標。NICROBELL護套合金已在包 括美國在內的多個／地區獲得權。

(***) NICROSIL +是Pyrotenax Australia Pty Ltd的商標。

(****) NCONEL是International Nickel Co.的商標。

經H.L. Daneman P.E許可轉載，電子：hankdan@comcast.net

參考文獻

1. Anderson, R. L., Ludwig, R.L.,FAILURE OF SHEATHED THERMOCOUPLES DUE TO THERMAL CYCLING,Temperature, (1982) pp 939-951
2. Anderson, R. L., Lyons, J. D.,Kollie, T G., Christie, W. H., Eby,R., DECALIBRATION OF SHEATHED THERMOCOUPLES, Temperature, (1982) pp 977-1007
3. Bentley, R. E., NEW-GENERATION TEMPERATURE PROBES, Materials Australasia, April (1987), pp. 10-13
4. Bentley, R. E., THEORY AND PRACTICE OF THERMOELECTRIC THERMOMETERY, 2nd Edition, CSIRO Div. of Applied Physics, (1990) 152 pages.
5. Bentley, R.E., private communication, 11/22/90
6. Burley, N. A., HIGHLY STABLE NICKEL-BASE ALLOYS FOR THERMOCOUPLES, J. of the Australian Institute of Metals, May (1972), pp 101-113
7. Burley, N. A., Burns, G. W., Powell, R. L., NICROSIL AND NISIL: THEIR DEVELOPMENT AND STANDARDIZATION, Inst. Physical Conf. Ser. No. 26, (1975), pp 162-171
8. Burley, N. A., Jones, T.P.,PRACTICAL PERFORMANCE OF NICROSIL-NISIL THERMOCOUPLES, Inst. Physical Conf. Ser. No. 26, (1975), pp 172-180
9. Burley, N. A., Powell, R. L., Burns,G. W., Scroger, M. G., THE NICROSIL VS NISIL THERMOCOUPLE:PROPERTIES AND THERMOELECTRIC DATA, NBS Monograph 161, April (1978), pp 1-156
10. Burley, N. A., THE NICROSIL VS NISIL THERMOCOUPLE: THE FIRSTTWO DECADES, (1986) privatecommunication
11. Burley, N. A., N-CLAD-N: A NOVEL ADVANCED TYPE N INTEGRALLY-0 SHEATHED THERMOCOUPLE OF ULTRA-HIGH THERMOELECTRICSTABILITY, High Temperatures-High Pressures, (1986) pp 609-616
12. Burley, N. A., NICROSIL/NISIL TYPE N THERMOCOUPLE, Measurements & Control, April (1989),pp 130-133
13. Burley, N. A., ADVANCED INTEGRALLY SHEATHED TYPE N THERMOCOUPLE OF ULTRA-HIGH THERMOELECTRIC STABILITY, Measurement, Jan-Mar 1990, pp 36-41
14. Daneman, H. L., THERMOCOUPLES, Measurements & Control, June (1988), pp 242-243
15. Frank, D.E., AS TEMPERATURES INCREASE, SO DO THE PROBLEMS!, Measurements & Control, June (1988), p 245
16. Hobson, J. W., THE INTRODUCTION OF THE NICROSIL/NISIL THERMOCOUPLES IN AUSTRALIA, Australian Journal of Instrumentation and Control, October (1982), pp 102-104
17. Hobson, J. W., THE K TO N TRANSITION - BUILDING ON SUCCESS, Australian Journal of Instrumentation and Control, (1985) pp 12-15
18. Northover, E. W., Hitchcock, J. A., A NEW HIGH-STABILITY NICKEL ALLOY, Instrument Practice, September (1971), pp 529-531
19. Paine, A., TYPE N AND K MIMS T/C’S, LNA5195, 11/23/90
20. Wang, T P., Starr, C. D., NICROSIL- NISIL THERMOCOUPLES IN PRODUCTION FURNACES, ISA (1978) Annual conference, pp 235-254
21. Wang, T. P., Starr, C. D., EMF STABILITY OF NICROSIL-NISIL AT 500?C, ISA (1978) Annual conference, pp 221-233

經H.L. Daneman, P.E.許可轉載