如何選擇Omega鎧裝熱電偶外護套材料

簡介
鎧裝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至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。
保護熱電偶線和絕緣層免受沖擊損壞。
總裝允許彎曲，具有靈活性。
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：可靠性較低、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，從而消除污染。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，兩者的膨脹系數差只有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，它會破壞鎳鉻合金表面的氧化保護涂層，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，甚至讀數錯誤。
在熱電偶制造或維修過程中可以引入水蒸氣，甚至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"就地非均勻性測試"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具有腐蝕性的工業環 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，不銹鋼護套的效果比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、提高延展性并消除因不銹鋼或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。

Omega鎧裝熱電偶探頭外部的金屬護套用于防止內部熱電偶線接觸到化學活性環境。有些情況下，甚至熱空氣都可以損壞熱電偶線，能使它們長久地失去準度。如何選用*佳類型的金屬護套取決于客戶的既定用途、所在行業以及所在國家／地區。例如，*常用的OMEGATM金屬護套為304不銹鋼和Inconel 600。它們可在包括食品加工行業在內的大部分行業中使用。304不銹鋼是一種通用合金，可以輕易獲得并且材料與加工成本較低。然而，一些行業，如石油、醫藥、核工業、航空和發電等等有自己的標準，可能需要更加復雜和昂貴的合金。
右邊列出了OMEGA用來生產OMEGACLADTM。

304不銹鋼
OMEGA采用稱為304L的低碳型304不銹鋼，主要原因是這種材料容易焊接。一般情況下，它可與普通304不銹鋼互換。
應用:
食品飲料加工
化工生產
奶制品
醫院設備
制藥設備
核反應堆設備
輕度腐蝕物容器

溫度限制：對于循環過程*高為
871°C (1600°F)。對于溫度在
899°C (1650°F)左右或者更高
的長時間使用，請使用Inconel 600

Inconel600
這種鎳鉻含量高的合金比大多數不銹鋼都要貴。它適合在高溫下長時間使用，并且可耐受大多數普通酸和超純水的腐蝕。
應用:
熔爐零部件
化工生產和食品加工
核能發電
苛性化學品
溫度限制
*高溫度1149°C (2100°F)

SUPER OMEGACLADTM
這種合金在高溫下具有出色的耐空氣腐蝕性。其表面有一層氧化鋁層，可阻止進一步氧化。這種耐氧化性能使熱電偶探頭在EMF漂移使熱電偶"失準"之前工作很長時間。耐氫氣腐蝕并且在高溫下強度很高，這也是它廣受歡迎的原因。由于結構限制并且難于加工，這種合金比上面討論的任何合金都貴很多。
應用:
熔爐零部件
燃氣輪機行業
催化轉換器零部件
航空航天噴氣式發動機和火箭
發動機
耐火材料錨固件
廢物焚化爐
溫度限制:
約為1216°C (2220°F)，也
可在加熱氫氣環境中使用，約
為1093°C (2000°F)

310不銹鋼
由于可在高達1038°C (1900°F)的溫度下不起氧化皮，這種材料通常在較高溫度下使用。在較高溫度時，它比304不銹鋼強度更大并且更加耐受空氣腐蝕。此外，這種材料在高溫生物燃料氣體中也表現不俗。
應用：（較高溫度）
空氣加熱器
烘烤設備
化工設備
熔爐零部件
換熱器與電動設備
（它們不與硫接觸）
石油提煉
溫度限制：
*高溫度1038℃ (1900°F)

316（和316L）不銹鋼
由于其中添加了鉬，這種材料與大部分不銹鋼相比，對大多數化學品、鹽和酸的耐腐蝕性更強。對含硫或含氯液體的耐受性也不錯。
應用：
船只裝飾件外部
化工生產和食品加工
石油提煉設備
制藥設備
造紙與紙漿
紡織品加工
溫度限制：
在空氣或周期性腐蝕環境中使用時，*高溫度871°C (1600°F)；空氣中使用時略高一些。

321不銹鋼
除了含鈦外，這種合金與304不銹鋼相似。它專門用于高溫下工作的焊接部件，非常適合在溫度大約427°C(800°F)的空氣和燃燒環境中長時間使用。
應用：
飛機排氣管和集合管
噴氣式發動機零部件
煙囪襯料
焊接設備
化工設備

溫度限制：
*高溫度871°C (1600°F)

哈氏合金-X
由于其中添加了鐵、鉻和鉬，這種合金較貴。它具有出色的高溫強度和良好的抗氧化性。它是一種相對較老的合金，成本比一些較新合金低，而性能比它們出色。
應用：
發電用燃氣輪機
航空航天應用
工業爐窯
鍋爐和壓力容器
溫度限制：
*高溫度1177°C (2150°F)

熱電偶 分度號	護套材質	護套直徑 mm (inch)	*高工作溫度 °C (°F)
K	304SS不銹鋼	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	500 (932) 700 (1290） 700  (1290) 700  (1290) 899 (1650) 899 (1650) 899 (1650) 899 (1650)
	Inconel® 600鎳鉻鐵合金	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	500 (932) 700(1290) 700 (1290) 700 (1290) 921 (1690) 1071 (1960) 1149 (2100) 1149 (2100)
	Super OMEGACLAD® XL超級材料	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	600 (1112) 800 (1472) 800(1472) 800 (1472) 1038 (1900) 1149 (2100) 1204 (2200) 1204 (2200)
J	304SS不銹鋼	0.25 (0.010) 0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	260 (400) 260 (500) 260 (500) 260 (500) 441 (825) 521 (970) 621 (1150) 721 (1330)
T	304SS不銹鋼	0.50 (0.020) 0.80 (0.032) 1.00 (0.040) 1.59 (1/16) 3.18 (1/8) 4.78 (3/16) 6.35 (1/4)	260 (500) 260 (500) 260 (500) 260 (500) 316 (600) 371 (700) 371 (700)