K型和N型热电偶的性能对比

摘要:N型热电偶是为了提高K型热电偶性能而研制出的一种综合性能更好、更稳定的热电偶，它在K型热电偶的基础上对其抗氧化性能、辐照嬗变、有序无序转变和磁性转变等方面进行了改进，从而提高了热电稳定性能及抗高温氧化性能。
1引言
　　热电偶测温的精度和可靠性很大程度上决定于热电偶材料的热电均匀性和稳定性。测温实践中为了获得最佳结果，不仅要注意热电偶的结构，安装和校准，更重要的是注意密切结合测温现场和工况以及温度范围、测量精度来选择适合的热电稳定性更高的热电偶。特别是在核电站这样一些领域内使用的热电偶，对它们进行复校和更换很困难，有时甚至是不可能的，因此高可靠性、高稳定性的热电偶的研究进展自然是测温领域很关注的问题。
　　K型热电偶是廉金属热电偶中综合性能较好的一种，在核辐射场中已得到了广泛的应用。然而K型热电偶材料本身存在着较大的缺憾,如在高温下长期使用时，由于合金成份的变化或由于在中子辐射过程中元素的蜕变而发生成份不均匀，引起热电势的缓慢漂移。在250~650℃范围内加热时，由于镍铬极(KP)合金的原子晶格出现不均匀的短程有序引起热电势重复性差(有序-无序转变)，从而影响了它们的测温精度。在150~260℃范围内，镍硅极(KN)发生磁性转变也引起热电势波动。
　　N型热电偶是国际.上近30年来在廉金属热电偶合金材料研究方面取得的重大成果，它不仅避免了K型热电偶的这些弱点，而且它的高温抗氧化性能更强，测温范围更广、更准确。因而它是一种比K型热电偶性能更优越的一种廉金属热电偶。本文主要针对K型与N型热电偶进行探讨。
 
2热电极合金的成份与性能
2.1热电极的化学成份
　　K型和N型热电偶的基本化学成份[2]列于表1中。从表1中我们可以看到:N型热电偶的正极与K型热电偶的正极一样都是一种Ni/Cr/Si合金,但N型.偶正极(NP)铬及硅的含量较K型偶的正极(KP)有所增加。就因为铬含量的增加，消除了K型偶在400C,600℃范围内的时效影响以。因为Cr量为14%~16%.的NiCr合金，其室温电阻变化最小，在该成份范围.内的短程有序转变及自旋现象较小。Cr含量对NiCr合金热电势稳定性的影响见图1。而增加硅的含量是为了改善高温抗氧化能力,使镍铬合金的氧化模式由内氧化转变为外氧化，至使氧化反应仅在表面进行。Si含量对NiCr合金热电势的影响见图2。
 
　　N型热电偶的负极(NN)较K型热电偶的负极(KN)增加了硅、镁的含量而完全不含锰和铝。增加镁的作用是阻止表层下的硅从热电极中择优氧化成SiO2,增加硅的含量而完全不含锰和铝使N型热电偶的负极高温抗氧化性能得到了良好的改善引。也就因为N型热电偶的负极(NN)基本上不含Mn、Al、Co等元素,而Si含量有较大提高，从而抑制了新型合金的磁性转变，使其转变温度降至室温以下，使N型热电偶不会在150~260℃范围内出现磁性转变而造成热电势偏离分度表的现象4。Si含量对NiSi合金热电势的影响见图3。
 
2.2热电极的主要性能
　　由于良好的热电特性，良好的物理性能、机械性能是判定热电偶是否可靠，是否优越的先决条件。用于核场测温，核场中的材料与中子发生嬗变的几率(即中子俘获截面)尽可能小，复制性好等也是必须考虑的条件。
 
2.2.1热电特性
　　热电特性好的热电偶,其热电极配对后应具有较大的热电势与塞贝克系数(热电势率)，能具有较似于线性的函数关系，且热电特性具有良好的稳定性和均匀性。此外，还要求每批材料具有良好的复现性21。表2列出K型与N型热电偶的塞贝克系数与热电势。从表2中的数据我们可以看到:N型热电偶的塞贝克系数虽然略低于K型,但K型偶在500"C时塞贝克系数达到最高，以后随温度的增高，塞贝克系数降低;而N型偶在800℃时塞贝克系数达到最高，以后随温度的增高，塞贝克系数虽然有所下降,但下降趋势明显比K型偶缓慢。N型偶的热电势虽然比K型偶低一点，但在并不影响N型偶的热电特性的情况下，N型偶的均匀性却比K型偶好。由此我们不难得出这样的结论:N型热电偶较似于线性的函数关系及均匀性都比K型偶好。
 
2.2.2物理性能和机械性能
　　由于良好的物理性能将使热电偶保持长期的电势稳定性及复现性。良好的机械性能将使热电偶便于冷加工。表3列出了K型偶与N型偶的物理性能和机械性能。
 
　　从表3我们可以看到:N型热电偶的电阻温度系数比K型热电偶的电阻温度系数低得多,而低的温度系数将使热电极长期工作后仍然保持良好的物理性能，使热电偶保持长期的电势稳定性和复现性。表4列出了K型热电偶与N型热电偶的电阻比与温度的比例关系。从表中我们看到:N型热电偶配对合金.(NP-NN)的电阻比随温度的升高变化明显比K型热电偶配对合金(KP-KN)小，使N型热电偶在磁性方面的影响较K型小得多问。这也是为什么N型热电偶比K型热电偶更稳定,较似于线性的函数关系更好的原因。
　　表5和表6分别给出了一组澳大利亚国防部材料研究所关于N型铠装热电偶和同样结构的K型热电偶在1000℃以.上和1000℃以下的热电势漂移的对比7。由于热电偶长期经受高温而造成热电势逐渐漂移，这种漂移一-般是累积性的，它主要是由于材料的氧化所致。表5表6表明N型热电偶比K型热电偶有好得多的抗高温性能和热电稳定性及复现性。
 
2.2.3核反应的比较
　　由于当热电偶在核场中工作时，在热中子和快中子流的照射下，热电势输出将不稳定而慢慢变化。这是由于热电偶材料吸收中子后，有些化学元素变成了不稳定同位素而嬗变成其他元素，使热电偶丝的化学成份发生变化，最终导致热电偶在核场中性能不稳定。
 
　　从表1列出的化学成份中我们可以看到:由于N型热电偶中不含Mn.Co、Cu等易发生核嬗变的元素，而K型偶负极中含有Mn、Co等易发生核嬗变的元素，因而N型偶比K型偶具有更好的耐辐照性能9。表7为核动力一院进行的辐照试验。在该试验过程中，采用了3支K型热电偶与3支N型热电偶在570±80℃辐照到快中子积分通量1.56X10²¹n/cm²,热积分通量7.9X10²⁰n/cm²后，在铅凝固点(327.3℃)进行辐照后的分度。从上表的数据可见，在幅照前后N型偶的热电势偏差最大为+0.72%，平均为+0.27%;K型偶最大偏差为1.83%，平均为1.5%。说明N型偶比K型偶具有更好的耐辐照性能。
 
3结论
　　由上面的对比，我们不难得出这样的结论:
(1)N型偶克服了K型偶在250℃~650℃时存在的短程有序转变及自旋现象。
(2)N型偶克服了K型偶在150~260℃范围内发生磁性转变而引起的热电势波动。
(3)N型偶较似于线性的函数关系比K型偶好。
(4)N型偶比K型偶有更好的热电稳定性、均匀性及复现性。
(5)N型偶比K型偶更抗高温氧化。
(6)N型偶比K型偶具有更好的耐辐照性能。
因此,N型偶代替K型偶在核场上广泛应用只是时间的问题。