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入门热电偶|温度传感器之一

特普生科技 特普生科技 2023-05-18 12 392

温度传感器应用广泛,种类繁多,但常见的主要类型有:热电偶、热电堆、 热敏电阻、电阻温度检测器、IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟 输出传感器和数字输出传感器两种类型。按照温度传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

(1)热电偶的基本定义 

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,热电偶工作原理是基于赛贝克 (seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路,如两连接端温度不同, 则在回路内产生热电流的物理现象。


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作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一热电偶,与铂热电阻一起, 约占整个温度传感器总量的 60%,热电偶通常和显示仪表等配套使用,直接测量 各种生产过程中-40~1800℃范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。优点有测量精度高,测量范围广,构造简单,使用方便。

(2)热电偶测温基本原理 

热电偶是一种感温元件,可直接测量温度并将其转换为热电动势信号。该信号经过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶的工作原理是由两种不同成份的导体组成闭合回路,在温度梯度存在时,电流会通过回路,产生热电动势,这就是塞贝克效应。热电偶的两种导体称为热电极,其中一端为工作端(温度较高),另一端为自由端(通常处于恒定温度下)。根据热电动势与温度的关系,制作热电偶分度表,不同的热电偶有不同的分度表。

当在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶产生的热电势将保持不变,不受第三种金属的影响。因此,在热电偶测温时,可以接入测量仪表,通过测量热电动势来确定被测介质的温度。热电偶将导体或半导体A和B焊接成闭合回路。

电偶将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来,构成一个闭合回路,如图所示。


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当导体A和B两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势, 因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这 一效应来工作的。

两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点 的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动 势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量 介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶是一种能量转换器,将热能转换为电能,通过测量所产生的热电势来衡量温度。在研究热电偶的热电势时,需要注意以下几个问题:

1)热电偶的热电势是热电偶两端温度之差的函数,而不是热电偶两端温度差的函数。

2)热电偶产生的热电势的大小与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关,前提是热电偶材料均匀。

3)在确定热电偶两个热电偶丝的材料成份后,热电偶热电势的大小仅与热电偶的温度差有关。如果热电偶冷端的温度保持恒定,热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

常用的热电偶材料有:


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(3)热电偶的种类及结构 

种类

热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家 标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶, 它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不 及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。

热电偶的基本构造

工业测温用的热电偶,其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线 盒等。

常用热电偶丝材及其性能:

A、铂铑 10-铂热电偶(分度号为S,也称为单铂铑热电偶该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金,负极为纯铂;

特点:

(1)热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用 温度可达 1300℃,超达 1400℃时,即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶,使晶 粒粗大而断裂;

(2)精度高,它是在所有热电偶中,准确度等级最高的,通常用作标准或 测量较高的温度;

(3)使用范围较广,均匀性及互换性好;

(4)主要缺点有:微分热电势较小,因而灵敏度较低;价格较贵,机械强 度低,不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。

B、铂铑 13-铂热电偶(分度号为R,也称为单铂铑热电偶) 该热电偶的正极为含 13%的铂铑合金,负极为纯铂,同 S 型相比,它的电势 率大 15%左右,其它性能几乎相同,该种热电偶在日本产业界,作为高温热电偶 用得最多,而在中国,则用得较少;

C、铂铑 30-铂铑 6 热电偶(分度号为B,也称为双铂铑热电偶) 该热电偶的正极是含铑 30%的铂铑合金,负极为含铑 6%的铂铑合金,在室温 下,其热电势很小,故在测量时一般不用补偿导线,可忽略冷端温度变化的影响;长期使用温度为 1600℃,短期为 1800℃,因热电势较小,故需配用灵敏度较高 的显示仪表。

B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用,也可以在真空气氛中的短期使 用;即使在还原气氛下,其寿命也是R或S型的 10~20 倍;由于其电极均由铂 铑合金制成,故不存在铂铑-铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结 晶化的趋势,且具有较大的机械强度;同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的 影响较少,因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵(相对于 单铂铑而言)。

D、镍铬-镍硅(镍铝)热电偶(分度号为K) 该热电偶的正极为含铬 10%的镍铬合金,负极为含硅 3%的镍硅合金(有些国 家的产品负极为纯镍)。可测量 0~1300℃的介质温度,适宜在氧化性及惰性气 体中连续使用,短期使用温度为 1200℃,长期使用温度为 1000℃,其热电势与 温度的关系近似线性,价格便宜,是目前用量最大的热电偶。

K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶,不适宜在真空、含硫、含碳气 氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用;当氧分压较低时,镍铬极中的铬将择优氧 化,使热电势发生很大变化,但金属气体对其影响较小,因此,多采用金属制保护管。


K型热电偶的缺点:
(1)热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差,在较高温度 下(例如超过 1000℃)往往因氧化而损坏;
(2)在 250~500℃范围内短期热循环稳定性不好,即在同一温度点,在升 温降温过程中,其热电势示值不一样,其差值可达 2~3℃;
(3)其负极在 150~200℃范围内要发生磁性转变,致使在室温至 230℃范 围内分度值往往偏离分度表,尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电 势干扰;
(4)长期处于高通量中系统辐照环境下,由于负极中的锰(Mn)、钴(C o)等元素发生蜕变,使其稳定性欠佳,致使热电势发生较大变化。


E、镍铬硅-镍硅热电偶(分度号为N) 该热电偶的主要特点是:在 1300℃以下调温抗氧化能力强,长期稳定性及 短期热循环复现性好,耐核辐射及耐低温性能好,另外,在 400~1300℃范围内, N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好;但在低温范围内(-200~400℃) 的非线性误差较大,同时,材料较硬难于加工。

E、铜-铜镍热电偶(分度号为T) T 型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜,负极为铜镍合金(也称康铜),其主要特点是:在贱金属热电偶中,它的准确度最高、热电极的均匀性好;它的使用 温度是-200~350℃,因铜热电极易氧化,并且氧化膜易脱落,故在氧化性气氛 中使用时,一般不能超过 300℃,在-200~300℃范围内,它们灵敏度比较高, 铜-康铜热电偶还有一个特点是价格便宜,是常用几种定型产品中最便宜的一种。

F、铁-康铜热电偶(分度号为J) 

J 型热电偶,该热电偶的正极为纯铁,负极为康铜(铜镍合金),具特点是价 格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中,温度范围从-200~800℃,但常用 温度只是 500℃以下,因为超过这个温度后,铁热电极的氧化速率加快,如采用 粗线径的丝材,尚可在高温中使用且有较长的寿命;该热电偶能耐氢气(H2) 及一氧化碳(CO)气体腐蚀,但不能在高温(例如 500℃)含硫(S)的气氛 中使用。

G、镍铬-铜镍(康铜)热电偶(分度号为E) 

E型热电偶是一种较新的产品,它的正极是镍铬合金,负极是铜镍合金(康 铜),其最大特点是在常用的热电偶中,其热电势最大,即灵敏度最高;它的应 用范围虽不及K型偶广泛,但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件 下,常常被选用;使用中的限制条件与K型相同,但对于含有较高湿度气氛的腐 蚀不很敏感。

除了以上 8 种常用的热电偶外,作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶,铂 铑系热电偶,铱锗系热电偶,铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。下表所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系:

热电偶分度号线径(mm)长期短期 

SΦ0。513001600 

RΦ0。513001600 

BΦ0。516001800 

KΦ1。28001000 

(4)热电偶冷端的温度补偿 

为了节省热电偶材料的成本,特别是在使用贵金属时,通常采用补偿导线将热电偶的冷端(自由端)延伸到温度相对稳定的控制室内,并连接到仪表端子上。需要明确的是,热电偶补偿导线的作用仅限于延伸热电极,将热电偶的冷端移至控制室内的仪表端子上,它本身不能消除冷端温度变化对温度测量的影响,不能起到补偿的作用。

绝缘管 

该热电偶的工作端被牢固焊接在一起,热电极之间需要用绝缘管进行保护。绝缘管有多种材料可选,主要分为有机和无机绝缘两类。对于高温端,必须选择无机材料作为绝缘管。一般在1000℃以下可选用粘土质绝缘管,在1300℃以下可选用高铝管,在1600℃以下可选用刚玉管。

保护管

保护管的作用是使热电偶电极与被测介质不直接接触。它的作用不仅延长热电偶的寿命,还能提供支撑和固定热电极的功能,增强其强度。因此,正确选择热电偶保护管和绝缘材料对于热电偶的使用寿命和测量准确性至关重要。保护管的材料主要分为金属和非金属两大类。

小结:


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热电偶是工业温度测量中常用的传感器,具有高精度、经济和适用于广泛温度范围的特点。它通过测量热端和冷端之间的温度差来进行测量。

为了获得热端感测点的绝对温度,需要测量冷端温度并相应地调节热电偶的输出。通常,冷端与热电偶信号处理单元的输入端通过具有高热导率的材料片保持同温。铜是具有理想热导率(381W/mK)的材料。输入连接需要电隔离,以避免热电偶信号与片上的热传导相互影响。整个信号处理单元最好处于这种同温环境中。

热电偶的信号范围通常在微伏/℃级别,热电偶信号处理单元对电磁干扰(EMI)非常敏感,而热电偶线路经常受到EMI的干扰。EMI增加了接收信号的不确定性,对采集的温度数据精度造成损害。此外,连接所需的专用热电偶缆线也很昂贵,如果不小心使用其他类型的缆线进行替代,可能会导致分析困难。

由于 EMI 与线长度成正比,所以要使干扰最小的通常选择是把控制电路靠近 感测点,增加一个靠近感测点的远程板或采用复杂的信号滤波和缆线屏蔽。一个 比较妙的方案是在靠近感测点数字化热电偶输出。

(5)热电偶工艺生产流程


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热电偶的生产过程控制包括以下内容:

1) 偶丝检验:检查几何尺寸和热电势。

2) 补偿导线检验:检查几何尺寸和热电势。

3) 准备和检验塑料插座、铝帽、耐火底座、纸管和小纸管等组件。

4) 热端焊接:通过P控制图验证焊点的合格率和长度的合格率。

5) 偶丝退火:包括一次退火(碱洗、酸洗后的退火)和二次退火(穿U形管后的退火),控制退火温度和时间。

6) 过程检验:包括极性判断、回路电阻和外观质量以及几何尺寸的检查。

7) 冷端焊接:控制焊接电压,检查焊点形状和球形大小。

8) 组装灌注:按要求进行组装,包括控制热端位置和补线距离。灌注要求包括水泥配制、烘烤温度和时间,并进行绝缘电阻测量。

9) 最终检验:检查几何尺寸、回路电阻、正负极性和绝缘电阻。

(6)热电偶传感器应用 

热电偶是两种不同的导体连接在一起形成的,当测量及参考连接点分别处于 不同温度上时即产生出所谓的热电磁力(EMF)。连接点用途测量连接点是处于 被测温度上的热电偶连接点部分。

参考连接点在热电偶中起到保持在已知温度上或自动补偿温度变化的作用。在常规工业应用中,热电偶元件通常连接到接头上,而参考连接点则通过适当的热电偶延伸线连接到温度比较稳定的被控环境中。连接点的类型可以是接壳式热电偶连接点或绝缘式热电偶连接点。

接壳式热电偶连接点是通过物理连接(焊接)与探针壁相连,从外部通过探针壁将热量传递至连接点,以实现良好的热传输。这种类型的连接点适用于测量静态或流动腐蚀性气体和液体的温度,以及一些高压应用。

绝缘式热电偶连接点则与探针壁分开,并由一种软性粉末包围。虽然绝缘式热电偶的响应速度比接壳式热电偶较慢,但它能提供电绝缘的特性。建议在测量腐蚀性环境时使用绝缘式热电偶,可以通过护套屏蔽将热电偶与周围环境完全电绝缘。

露端式热电偶允许连接点顶端深入到周围环境中,这种类型的热电偶提供最佳的响应时间,但仅适用于非腐蚀、非危险和非加压的应用。响应时间可以用时间常数来表示,时间常数定义为传感器在被控环境中从初始值到最终值改变63.2%所需的时间。露端式热电偶具有最快的响应速度,而且探针护套直径越小,响应速度越快,但其最大允许测量温度也越低。

延伸线热电偶使用延伸线将参考连接点从热电偶转接到另一端的线上,而该线通常位于被控环境中,并具有与热电偶相同的温度-电磁频率特性。当正确连接时,延伸线将参考连接点传输到被控环境中。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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