隨著反復(fù)暴露在高溫下，K型熱電偶的精度降低。老化是導(dǎo)致溫度讀數(shù)高于準(zhǔn)確度的現(xiàn)象，而漂移則導(dǎo)致讀數(shù)低于準(zhǔn)確度的現(xiàn)象。盡管所有K型熱電偶都會老化和漂移，但非常佳實(shí)踐可以非常大程度地降低風(fēng)險并延長熱電偶壽命。
可靠，耐用和廉價的K型熱電偶通常用于許多行業(yè)。標(biāo)準(zhǔn)的礦物絕緣（MI）K型熱電偶包含三種金屬，所有這些都會影響其老化和漂移。
在這種
熱電偶的類型，正導(dǎo)體由鎳鉻的®（鎳和鉻合金）和負(fù)導(dǎo)體由鎳鋁合金的®（鎳，錳，硅和鋁的合金）。涉及的第三種金屬是保護(hù)套，其通常由不銹鋼或類似合金，鎳合金或鈍化鎳合金制成。
在談?wù)摕犭娕驾敵鋈绾坞S著時間的推移而變得不那么精確時，老化和 漂移通常會互換使用，以響應(yīng)溫度和運(yùn)動。出于本文的目的，K型熱電偶的老化是在600°F（316°C）和1200°F（649°C）之間發(fā)生的現(xiàn)象。老化會導(dǎo)致傳感器溫度讀數(shù)略有增加。同樣出于本文的目的，K型熱電偶的漂移是在1200°F（649°C）以上時發(fā)生的現(xiàn)象，并且可能導(dǎo)致溫度讀數(shù)顯著下降。
以下信息基于行業(yè)發(fā)現(xiàn)以及WIKA USA正在進(jìn)行的研發(fā)。
K型熱電偶的老化和短程訂購
短程有序（SRO）是一種物質(zhì)狀態(tài)，其中原子僅在短距離上規(guī)則且可預(yù)測地排列。對于鐵磁性和反鐵磁性金屬，SRO指的是電子自旋從排列狀態(tài)（均指向磁性北向）到隨機(jī)性稍強(qiáng)的無序狀態(tài)。這種冶金特性會影響K型熱電偶，無論導(dǎo)線尺寸如何，熱電偶的制造商電線，或成品MIMS（礦物絕緣金屬護(hù)套）電纜的制造商，通常稱為金屬護(hù)套TI。
高于居里溫度，除非施加磁場，否則磁性自旋會隨機(jī)排列。
老化的特征是金屬結(jié)構(gòu)的磁混亂，這會導(dǎo)致熱電偶的溫度讀數(shù)發(fā)生微小變化。導(dǎo)體中的鎳是磁性的。當(dāng)鎳達(dá)到居里溫度時[i]在 669°F（354°C）下，其磁性能開始改變和減弱，這影響了由異種金屬的結(jié)產(chǎn)生的電壓差。
在居里溫度以下，即使沒有磁場，相鄰的磁性自旋也會對準(zhǔn)鐵磁體。
短程訂購發(fā)生在600–900°F（316–482°C）的溫度范圍內(nèi)。在較小的程度上，它也可能在900–1,200°F（482–649°C）的范圍內(nèi)發(fā)生。可以通過在大約1,600–1,650°F（871-899°C）的退火步驟來糾正這種偏移，但由于這是K型焊絲合金的特征，因此將再次成為一個因素。發(fā)生多個導(dǎo)致SRO的事件時，偏移量會減小，正常的非常大溫度偏差通常為+ 5°F至+ 6°F。
以下是帶有退火護(hù)套的K型熱電偶的溫度讀數(shù)預(yù)期變化的典型進(jìn)展示例。
- 開始條件：熱電偶的溫度讀數(shù)正常（通過與恒溫參考探頭進(jìn)行比較（在溫控浴中）進(jìn)行驗(yàn)證）。溫度讀數(shù)為700°F（371.1°C）。
- 該熱電偶要么在700°F的溫度下投入使用，要么在700°F的溫度下回到同一校準(zhǔn)槽中。由于訂購范圍短，新的溫度讀數(shù)為702°F（372.2°C），增加了2°F。
- 該熱電偶的磁性降低并且正在老化。當(dāng)將其重新投入使用時（恰好在700°F（華氏度））或放回同一校準(zhǔn)槽中時，新的溫度讀數(shù)為703.5°F（373°C），增加了1.5°F。
- 重復(fù)步驟3。新的溫度讀數(shù)為704.5°F（373.6°C），增加了1°F。
- 重復(fù)步驟4。新的溫度讀數(shù)為705°F（373.9°C），增加了0.5°F。此后，溫度讀數(shù)的任何變化都非常小。高于1200°F（649°C），溫度讀數(shù)的變化將慢慢“校正”回原始校準(zhǔn)值。
其他類型的熱電偶也會遇到SRO，因此溫度輸出會上升。例如，在J型熱電偶中，一根導(dǎo)線是鐵，當(dāng)其達(dá)到1,418°F（770°C）的居里溫度時，它開始老化。
什么是熱電偶漂移？
漂移通常是熱電偶溫度讀數(shù)的下降，可能是幾種不同現(xiàn)象的結(jié)果。漂移將繼續(xù)降低溫度讀數(shù)，甚至可能導(dǎo)致熱電偶故障。通常，此故障發(fā)生在偏離原始溫度25°F的溫度處或之前。
與漂移有關(guān)的冶金現(xiàn)象可以區(qū)分為：
- 表面修飾，與由于熱電元件和熱電元件周圍環(huán)境之間的相互作用而導(dǎo)致的熱電元件變化有關(guān)。
- 大量修改，與熱電偶的體積變化有關(guān)。
表面修改可以顯示為：
- 氧化（裸線配置）
- 熱電偶中的元素耗盡（裸線/ MIMS配置）
- 來自環(huán)境的污染（裸線/ MIMS配置）
- 與絕緣體的相互作用（MIMS配置）
- 與護(hù)套的相互作用（MIMS配置）
在批量修改中，可以觀察到以下現(xiàn)象：
- 相變
- 谷物生長
- 殘余應(yīng)變和位錯an滅
- 重結(jié)晶
熱電偶系統(tǒng)，尤其是放置在燃燒加熱器中的系統(tǒng)，可能會經(jīng)歷老化和漂移。但是，很難預(yù)測甚至無法預(yù)測對經(jīng)歷溫度梯度作為其正常運(yùn)行一部分的熱電偶系統(tǒng)的實(shí)際影響。
如何非常小化K型熱電偶的老化和漂移
在許多燃燒加熱器中，爐管的溫度低于1200°F（649°C）（老化區(qū)），而煙氣則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2,000°F（1093C）（漂移區(qū)）。老化是可以預(yù)測的，而漂移則難以預(yù)測，破壞性更大，并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
以下是有關(guān)管式熱電偶（TSTC）加熱器的一些非常佳做法：
- 盡量減少熱電偶上的輻射/對流熱量。換句話說，嘗試在管的非常冷的部分上運(yùn)行熱電偶。對于雙射設(shè)計，這可能是一半，而不是一側(cè)或另一側(cè)。
- 平衡的屏蔽設(shè)計有助于將輻射/對流熱轉(zhuǎn)換為傳導(dǎo)熱。
- 保持盡可能多的TSTC與試管緊密接觸。當(dāng)管子變成散熱器時，這一點(diǎn)非常重要。必須使用足夠數(shù)量的夾子以防止間隙。任何間隙都會使管子更接近煙氣溫度，這將使熱電偶進(jìn)入漂移區(qū)并非常終損壞傳感器。
- 非常小化或消除管外布線。非常好使TSTC沿著管子運(yùn)行到與管子成一直線的出口，而不是從管子到垂直于管子的壁出口有較大的跳躍。陶瓷纖維的包裹物（例如Kaowool）是防止灰分相關(guān)的助焊劑問題的良好屏障，但是包裹物不能使熱電偶保持涼爽，也不能使傳感器脫離管外跳變長的漂移區(qū)。
- 活塞式出口優(yōu)于膨脹線圈。彎曲會增加漂移的可能性，而活塞式出口可以非常大程度地減少或消除這種風(fēng)險。對于像焦化機(jī)這樣的高爐，盡可能使用活塞式出口尤為重要。
- 如果無法使用活塞式出口，請使用較小的膨脹線圈進(jìn)行補(bǔ)償。 由于多余的材料會吸收更多的表面積來吸收熱量，因此重要的是非常小化線圈的尺寸，并在受輻射/對流熱影響的區(qū)域中隱藏盡可能多的材料。 三到四個小線圈通常比一個大環(huán)路更可取。
- 選擇護(hù)套材料時，以溫度為標(biāo)準(zhǔn)。 在使用管溫度進(jìn)行確定時，請注意是否使用了長跳管的次優(yōu)路徑。升級到I600或Pyrocil D護(hù)套可以幫助減少（但不能消除）漂移，并延長熱電偶壽命。
由于K型熱電偶中使用的金屬的特性，會發(fā)生老化和漂移。當(dāng)前不可能制造無漂移或無老化的熱電偶。但是，像Catherine Rae博士和Michele Scervini博士這樣的材料科學(xué)家正在積極地進(jìn)行冶金修改，以創(chuàng)建K型和其他熱電偶的減少漂移的版本。
Scervini的這篇文章詳細(xì)介紹了漂移，漂移發(fā)生的原因以及溫度激活的冶金學(xué)變化。本文（Scervini＆Rae 2013）發(fā)表在《燃?xì)廨啓C(jī)和動力工程》 雜志上， 討論了一種改進(jìn)的鎳基MIMS熱電偶，適用于高溫燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用。
在此插圖中，綠色框顯示了通常容易老化的區(qū)域。紅色框顯示了可能易于漂移并因此導(dǎo)致熱電偶損壞的區(qū)域。
在此插圖中，綠色框顯示了通常容易老化的區(qū)域。紅色框顯示了可能易于漂移并因此導(dǎo)致熱電偶損壞的區(qū)域。
[i]也稱為居里點(diǎn)（以Pierre Curie命名），這是某些磁性材料的磁性發(fā)生急劇變化的溫度。在居里點(diǎn)以下，充當(dāng)微小磁體的原子自發(fā)地在某些磁性材料中對齊。在鐵磁材料中，原子磁體在每個微觀區(qū)域（疇）內(nèi)的方向相同，因此它們的磁場相互增強(qiáng)。在反鐵磁材料中，原子磁體在相反的方向上交替排列，因此它們的磁場相互抵消。在鐵磁性材料中，自發(fā)排列是兩種模式的組合，通常涉及兩個不同的磁性原子，因此僅發(fā)生磁場的部分增強(qiáng)。將這三種材料中的任何一種材料的溫度提高到居里點(diǎn)都完全破壞了各種自發(fā)的排列，僅剩下了一種較弱的更一般的磁性行為，即順磁性。
