熱電偶溫度傳感器及發(fā)展趨向分析

卜天容

【摘 ?要】文章圍繞熱電偶溫度傳感器的高質(zhì)量應(yīng)用展開論述，分析了熱電偶的運(yùn)行原理、分類以及保護(hù)裝置，對其有一個基本的了解，隨后從三個方面闡述了熱電偶溫度傳感器的實(shí)際運(yùn)用，最后則總結(jié)了其發(fā)展趨向，從而得出熱電偶溫度傳感器對于工業(yè)行業(yè)的重要意義。

【關(guān)鍵詞】熱電偶溫度傳感器;抗氧化鎢徠熱電偶;復(fù)合管型愷裝熱電偶;金/鉑熱電偶

在瞬態(tài)溫度測量過程中，溫度隨時間不斷變化，同時測試環(huán)境可能存在高壓或高速流動的情況，由于熱電偶溫度傳感器內(nèi)部感溫元件的熱慣性及自身存在的有限熱傳導(dǎo)，測得的溫度與實(shí)際溫度存在著一定的偏差，因此要保證瞬態(tài)測溫的準(zhǔn)確度是非常困難的#為盡量減少此類系統(tǒng)誤差，需要采用動態(tài)校準(zhǔn)的方法對傳感器的測溫結(jié)果進(jìn)行修正使其更接近于真實(shí)的溫度信號。

熱電偶溫度傳感器主體實(shí)際上由兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體一端焊接在一起而成，構(gòu)造簡單。它之所以具有較高的準(zhǔn)確性，是因?yàn)樵跍y溫時它與被測物體直接接觸不受中間介質(zhì)的影響。常用熱電偶的測溫范圍從-200～1300℃不等。隨著科技的發(fā)展，各種特殊材料廣泛應(yīng)用到熱電極中，從而使其具有更高的精確度與靈敏度。

1 熱電偶工作原理與分類

熱電偶的工作原理是基于塞貝克效應(yīng)，即：如果由兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就有電流通過，那么兩端之間就存在塞貝克電勢—熱電勢[1]。其值與組成熱電偶的金屬材料性質(zhì)、熱端與冷端的溫度差的大小有關(guān)，而與熱電極的長短、直徑大小無關(guān)。熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)成熱電勢的一種感溫元件，配以二次儀表通過測量熱電勢從而測定出溫度值。

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶工藝比較成熟，應(yīng)用廣泛，性能優(yōu)良穩(wěn)定，能成批生產(chǎn)，同一型號可以互換，統(tǒng)一分度，并有配套儀表。

2 熱電偶的保護(hù)裝置

熱電偶的保護(hù)裝置被稱為保護(hù)套管，它可以使熱電極和被測介質(zhì)不直接接觸，能防止或減少火焰和氣流的沖刷與輻射，以保證它具有較長的使用壽命。為提高測溫精確度，保護(hù)熱電極，保護(hù)套管的材料應(yīng)具有以下性能：氣密性好;物理化學(xué)性能穩(wěn)定;導(dǎo)熱性能好;應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。對于一些特殊場合，保護(hù)套管的材料也有特殊的要求。目前我國熱電偶保護(hù)套管按其材質(zhì)主要分為金屬、非金屬兩大類。

3 新型熱電偶溫度傳感器的研究與應(yīng)用

3.1抗氧化鎢徠熱電偶

難融金屬熱電偶中鎢抹熱電偶是最成功的，也是可測到1800℃以上工業(yè)熱電偶中最好的熱電偶。在宇航與核工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這種熱電偶的特點(diǎn)是：電極絲的熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大;極易氧化;熱電勢大，靈敏度高;價格便宜，鎢鎳熱電極絲價格僅為S型熱電偶的1/6，B型熱電偶的1/8。

一種設(shè)想是在鎢徠熱電偶保護(hù)管內(nèi)制造出非氧化性氣氛，使其在非氧化性氣氛中工作，國內(nèi)外均取得突破性進(jìn)展，在冶金、化工等行業(yè)應(yīng)用已取得滿意效果。東北大學(xué)已研制的實(shí)體性抗氧化鎢徠熱電偶已獲得國家專利。既可用于氧化、還原氣氛，又可以在兩者交替的氣氛中使用。自1992年起，沈陽冶煉廠用它替代鉑鍺系貴金屬熱電偶[2]。結(jié)果表明：其使用壽命是鉑鍺系熱電偶的1～2倍，而價格不足鉑鍺熱電偶的一半，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。當(dāng)前，鉑銘熱電偶價格昂貴，推廣抗氧化鎢徠熱電偶符合國情，勢在必行。

3.2復(fù)合管型愷裝熱電偶

美國Hoskins公司開發(fā)出一種復(fù)合管型愷裝熱電偶2300型，可長時間在1260℃條件下使用。它的特點(diǎn)是：采用特種鎳基耐熱合金作愷裝熱電偶套管材料;采用高精度N型或K型熱電偶絲及高純度Mg0，以特殊的工藝制成復(fù)合管型愷裝熱電偶，高溫下熱穩(wěn)定性高;生產(chǎn)工藝獨(dú)特，可生產(chǎn)超常規(guī)的長熱電偶（L=SOOm），其直徑為1.0～6.4mm;耐高溫，抗氧化，使用壽命長。

3.3金/鉑熱電偶

早在ITS-90溫標(biāo)實(shí)施前，加拿大人E.H Mclaren和E.G.Murdock就開始了對金/鉑熱電偶進(jìn)行研究，通過大量的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)，使用純鉑和純金構(gòu)成的熱電偶具有良好的復(fù)現(xiàn)性。ITS-90溫標(biāo)實(shí)施后，人們對高溫鉑電阻HTPRT使用到銀凝固點(diǎn)（961.78℃）的穩(wěn)定性產(chǎn)生了質(zhì)疑，這時，很多人尋求一種更好的測溫元件，金/鉑熱電偶成為眾多國家研究的對象。美國NIST、英國NPL、韓國KRISS等研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了研究，其中美國NIST的G.W.Burns等人在他們的題目為《金/鉑熱電偶：研究數(shù)據(jù)及ITS-90溫標(biāo)下的參考函數(shù)》中指出“在0℃～1000℃溫區(qū)內(nèi)，金/鉑熱電偶在兩年的實(shí)驗(yàn)中在961℃～965℃累計(jì)1000h的條件下，在銀凝固點(diǎn)（961.7℃）的穩(wěn)定性不超過t16mK，其在鋁凝固點(diǎn)上進(jìn)行的均勻性的研究表明它的不均勻性為2mK（浸入深度變化7.4cm）[3]。這些數(shù)據(jù)表明在銀凝固點(diǎn)（961.78）的穩(wěn)定性比高溫鉑電阻溫度計(jì)HTPRT更好。目前國際上已經(jīng)有了得到大家認(rèn)可的金/鉑熱電偶的分度表，金/鉑熱電偶已經(jīng)進(jìn)人了應(yīng)用階段。我國已經(jīng)開展了此項(xiàng)研究。

4 熱電偶溫度傳感器發(fā)展趨向

近年來，我國工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程和電子信息產(chǎn)業(yè)連續(xù)的高速增長，帶動了傳感器市場的快速上升。熱電偶溫度傳感器作為傳感器中的重要一類，占整個傳感器總需求量的40%以上。熱電偶溫度傳感器用途十分廣闊，可用作溫度測量與控制、溫度補(bǔ)償、流速、流量和風(fēng)速測定、液位指示、溫度測量、紫外光和紅外光測量、微波功率測量等而被廣泛的應(yīng)用于彩電、電腦彩色顯示器、切換式電源、熱水器、電冰箱、廚房設(shè)備、空調(diào)、汽車等領(lǐng)域。近年來汽車電子、消費(fèi)電子行業(yè)的快速增長帶動了我國溫度傳感器需求的快速增長。

結(jié)束語

綜上所述，熱電偶作為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍的測溫元件，其靈敏度以及穩(wěn)定性是目前研究的要點(diǎn)，新材料與配件也得到了運(yùn)用。基于目前發(fā)展趨勢，可以相信在今后熱電偶溫度傳感器將會為工業(yè)測量發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李振偉，劉澤元，劉暢，朱熙，王晶.基于MEMS的航天器表面新型測溫傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2018，26（06）：281-284.

[2]丁炯，唐宵，楊遂軍，葉樹亮.基于小型爆燃發(fā)生裝置的溫度傳感器動態(tài)特性標(biāo)定[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，31（02）：195-201.

[3]王林泓.Proteus在《傳感器與檢測技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用——以熱電偶傳感器為例[J].科技資訊，2017，15（28）：143-146.

（作者單位：廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測研究院）