K型熱電偶熱端封裝響應延遲解決方案

2013-12-29 00:00:00夏文新

科技資訊 2013年11期

摘要：K型熱電偶溫度傳感器在工業航空領域應用廣泛。K型熱電偶溫度傳感器的熱端直接裸露在被測環境內極易受到外界環境的影響，所以，熱電偶的熱端也需要封裝。但是封裝后的K型熱電偶的響應時間延遲。該文詳細闡述了K型熱電偶熱端暴露在被測環境內會受到的外界影響從而引起輸出誤差，封裝避免外界影響及可實施方案。

關鍵詞：K型熱電偶熱端封裝響應延遲

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0114-03

K型熱電偶溫度傳感器測溫范圍為-200 ℃～1300 ℃，它具有測量溫度高，靈敏度較高，線性度好，抗氧化能力強，穩定性和均勻性好的優點。因此，K型熱電偶溫度傳感器在工業上應用廣泛。然而由于熱端極易受到外界環境的干擾，對數據的采集產生不可忽視的影響，從而產生嚴重失真。因此目前市場上的熱電偶傳感器的熱端實施金屬封裝，避免了熱端直接與外界接觸帶來的影響。但是，熱端的封裝由于熱能傳導會延遲數據采集的響應時間。本文系統闡述熱端受到外界的種種影響及其原因，解決封裝帶來的響應時間的延遲。

1 熱電偶溫度傳感器熱端受外界影響

熱端直接插入到被測環境中，極易受到外界電場的影響，使熱電偶產生不定向失真；另外熱端與外界導體接觸會產生短路現象；熱電偶的劣化也是使傳感器失真的重要原因之一。

1.1 外界電場對熱電偶的影響

1.1.1 塞貝克效應

1.1.2 電介質的極化

根據電介質中束縛電荷的特征，把電介質的分子分為無極分子和有極分子兩類。無極分子的正負點和中心重合，對外產生的合成電場為零。有極分子的正負電荷中心不場合，構成一個電偶極子。但由于許許多多電偶極子雜亂無章地排列，使得合成電偶極矩相抵消。因此，在無外電場的情況下，有極分子和無極分子對外產生的合成電場都為零。

在外電場的作用下，無極分子中的正電荷沿電場方向移動，負電荷逆電場方向移動，導致正負電荷動心不再重合，形成許多排列方向與外界電場大體一致的電偶極子，它們對瓦產生的電場不再為零。這種電介質中的束縛電荷在外電場作用下發生位移的現象，稱為電介質的極化，束縛電荷也稱為極化電荷。電介質極化的結果是電介質內部出現許許多多順著外電場方向排列的電偶極子，這些電偶極子產生的電場講改變原來的電場分布。這樣，電介質對電場的影響課歸結為極化電荷產生的附加電場的影響。因此，電介質內的電場強度E可視為自由點和產生的外電場與極化電荷產生的附加電場的疊加，

1.2 熱端與外界接觸造成的影響

根據熱電偶工作原理，當熱端與冷端形成電壓差時，若熱端與外界的導體接觸，熱端將產生分流誤差。國內的一些專家為此做過實驗。一根長60 m、直徑52 mm、304不銹鋼套管和MgO絕緣的K型鎧裝熱電偶，熱電偶符合日本工業標準（JIS），將熱電偶熱端焊于一鋼帶上，牽引鋼帶進入鋼件加熱爐中，經800 ℃預熱區至1200 ℃加熱區。同時以爐子冷卻區引入另一熱電偶于加熱區相同位置，以便進行比較，二者的指示溫度相差約200 ℃，取出熱電偶檢查，除了套管表面的輕微氧化以外并未損壞。在該實驗中，從鎧裝熱電偶的測量端至參考端，爐內的實際溫場呈一定梯度分布。如（圖2）所示。

1.3 K型熱電偶的正常氧化和擇優氧化

1.3.1 正常氧化

1.3.2 擇優氧化

因此，熱端探頭直接放于被測環境中，會受到外接電場影，外界導體分流，熱端探頭氧化等影響，會使傳感器的靈敏度大大下降。

為了解決外界環境帶來的影響，將K型熱電偶熱端探頭封裝。將探頭封裝在金屬內，中間有高溫膠隔離，避免探頭與金屬接觸。這樣，金屬對探頭產生靜電屏蔽，探頭不受外界電場的影響，并且避免探頭與外界直接接觸，防止分流誤差和探頭氧化。

2 熱電偶熱端探頭封裝后引起的響應延遲及解決辦法

2.1 熱傳導原理

如果使兩物體產生熱能的交換，兩物體必須有熱量的差，則組成這一物體的每一分子會從離它極近的分子那里得到熱，或者傳熱給它們。如果兩物體具有相同的溫度，那么他們之間的相互作用可以看作為零。由點A傳遞給點B的熱量取決于這一時刻的長短，取決于這兩個點的有效溫度，并且取決于物體的質。目前實驗在這一方面已經揭示出一個一般的結果：它在于所有其他環境保持不變，這兩個分子中的一個從另一個那里所得到的熱量與這兩個分子的溫差成正比。

因此，封裝后的熱電偶需要從封轉材料那里得到熱量，感應溫度，這樣，會延遲傳感器響應時間，從而降低溫度傳感器的靈敏度。

2.2 減小響應時間的關鍵因素—— 熱傳導率

一種典型的熱量傳遞過程是熱量通過固體壁面從溫度較高的流體傳遞給另一側溫度較低的流體。傳熱過程的熱流量可以表示為

其中K是傳熱系數，A是面積，是溫差。

熱電偶試驗中，熱端探頭接觸面積變化很小，與冷端的溫差是不變的，而材料的傳熱系數為傳熱過程中傳遞熱流量的決定因素。

2.3 封裝解決誤差問題

封裝后的熱電偶響應延遲是否很大，會影響其使用價值。我們將封裝后的熱電偶與標準熱電偶用高溫膠粘在一起，保證兩傳感器測同一空間的溫度，放在馬弗爐腔內，每隔十秒記錄一次數據，多次測量取其平均值，分別測量了、、環境用origin軟件繪圖，如（圖3～圖5）所示。

試驗數據顯示，在封裝后傳感器的響應時間有一定的延遲，是由于被測環境的熱量需要通過封裝材料傳導給熱端探頭，延遲了感應時間，但是誤差能控制在1%～2%之內。

因為熱電偶熱端探頭的封裝一般是使用不銹鋼或者是銅等金屬外殼，金屬的熱傳是電子導熱機理，金屬中的自由電子之間的相互作用和碰撞是金屬導熱的主要因素，聲子導熱一般可以忽略不計，金屬熱導率達到了幾十到幾百，很好的將熱量傳遞給熱電偶熱端探頭。

另外，一般封裝金屬與熱電偶熱端探頭中間有高溫膠隔離，高溫膠的作用使隔離探頭和金屬的直接接觸。一般來說，高溫膠的體積電阻率是十的十四次方歐姆級，有優良的絕緣性，這樣，避免了熱端受外界電場和分流的影響。

3 結語

（1）K型熱電偶溫度傳感器熱端探頭直接裸露在被測環境內，容易受到外界電場，外界導體，易氧化等影響。