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)量應用展開論述，分析了熱電偶的運行原理、分類以及保護裝置，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際運用，最后則總結了其發(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。

【關鍵詞】熱電偶溫度傳感器;抗氧化鎢徠熱電偶;復合管型愷裝熱電偶;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，測得的溫度與實際溫度存在著一定的偏差，因此要保證瞬態(tài)測溫的準確度是非常困難的#為盡量減少此類系統(tǒng)誤差，需要采用動態(tài)校準的方法對傳感器的測溫結果進行修正使其更接近于真實的溫度信號。

熱電偶溫度傳感器主體實際上由兩種不同性質(zhì)的導體或半導體一端焊接在一起而成，構造簡單。它之所以具有較高的準確性，是因為在測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，即：如果由兩種不同成分的均質(zhì)導體組成閉合回路，當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，而與熱電極的長短、直徑大小無關。熱電偶是將溫度轉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。

標準化熱電偶工藝比較成熟，應用廣泛，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 熱電偶的保護裝置

熱電偶的保護裝置被稱為保護套管，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，保護熱電極，保護套管的材料應具有以下性能：氣密性好;物理化學性能穩(wěn)定;導熱性能好;應有足夠的機械強度。對于一些特殊場合，保護套管的材料也有特殊的要求。目前我國熱電偶保護套管按其材質(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)等高技術領域應用廣泛。這種熱電偶的特點是：電極絲的熔點高、強度大;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。

一種設想是在鎢徠熱電偶保護管內(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)外均取得突破性進展，在冶金、化工等行業(yè)應用已取得滿意效果。東北大學已研制的實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)濟效益和社會效益。當前，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復合管型愷裝熱電偶

美國Hoskins公司開發(fā)出一種復合管型愷裝熱電偶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合管型愷裝熱電偶，高溫下熱穩(wěn)定性高;生產(chǎn)工藝獨特，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溫標實施前，加拿大人E.H Mclaren和E.G.Murdock就開始了對金/鉑熱電偶進行研究，通過大量的實驗工作發(fā)現(xiàn)，使用純鉑和純金構成的熱電偶具有良好的復現(xiàn)性。ITS-90溫標實施后，人們對高溫鉑電阻HTPRT使用到銀凝固點（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等研究機構都進行了研究，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驗中在961℃～965℃累計1000h的條件下，在銀凝固點（961.7℃）的穩(wěn)定性不超過t16mK，其在鋁凝固點上進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（961.78）的穩(wěn)定性比高溫鉑電阻溫度計HTPRT更好。目前國際上已經(jīng)有了得到大家認可的金/鉑熱電偶的分度表，金/鉑熱電偶已經(jīng)進人了應用階段。我國已經(jīng)開展了此項研究。

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、溫度補償、流速、流量和風速測定、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、廚房設備、空調(diào)、汽車等領域。近年來汽車電子、消費電子行業(yè)的快速增長帶動了我國溫度傳感器需求的快速增長。

結束語

綜上所述，熱電偶作為工業(yè)領域應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，新材料與配件也得到了運用。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：

[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計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，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)特性標定[J].傳感技術學報，2018，31（02）：195-201.

[3]王林泓.Proteus在《傳感器與檢測技術》教學中的應用——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)計量檢測研究院）