热电偶传感器的应用与发展.doc

热电偶传感器的应用与发展

一、 引文
1. 工作原理
在大量的热工仪器中，热电偶作为温度传感器，得到了广泛使用。它是利用热电效应来进行工作的，其热电势率一般为几十到几μV/℃。所谓的热电效应，是指当受热物体中的电子（洞），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。热电偶是将两种不同成份的导体，两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工作端（热端），接线端子端叫冷端。当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值。电动势随温度升高而增长。
由于热电偶直接和被测对象接触，不受中间介质的影响，因而测量精度高，并且可以在-200～+1600℃范围内进行连续测量，甚至有些特殊热电偶，如钨-铼，可测量高达+2800℃的高温，且构造简单，使用方便。但是，热电偶只产生毫伏（mV）级输出，且需冷接点补偿（CJC）技术，延长时需补偿导线。
2. 补偿原理
利用热电偶传感器测量温度时，冷端温度的影响是不可忽略的，且热电偶冷端暴露于作业环境中，可以认为冷端温度与作业环境温度一致。作业环境温度随季节气候变化而变化，因此冷端温度的测定是动态测定，冷端电势补偿是动态补偿。
在热电偶冷热端电势关系中，有如下公式存在：
EAB(t，0)=EAB(t，tn)+EAB(tn，0)
其中，t为实测温度；tn为冷端温度；EAB（t，0）为冷端温度为0℃时，热电偶电势输出；EAB(t，tn)为冷端温度为tn℃时，热电偶电势输出；EAB(tn，0)为冷端补偿电势。上式中，EAB(t，tn)可直接从热电偶输出中检测到，只要获取冷端温度tn，就可以由分度表换算出EAB(tn，0)，进而求出EAB(t，0)。于是完成了冷端电势补偿，并可换算出实测温度t 。

图1 热电偶原理图
3. 结构与分类
工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中0~1800℃范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。
装配式热电偶是由感温元件（热电偶芯）、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成。
铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小、可任意弯曲、抗震性强等特点。适宜安装在装配式热电偶无法安装的场合，它的外保护管采用不同材料的不锈钢管（适合不同使用温度的需要），内充满高密度氧化物质绝缘体，非常适合安装在环境恶劣的场合。
隔爆式热电偶通常用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体。如果使用普通热电偶极易引起环境气体爆炸，因此在这种场合必须使用隔爆热电偶，隔爆热电偶适用在dⅡBT1—6及dⅡCT1—6温度组别区间内具有爆炸性气体的危险场所内。
热电偶的主要种类区别在其热电偶芯（两根偶丝）的材质不同而不同，它所输出的电动势也不同，热电偶主要有以下几种：
名称
型号（代号）
分度号
测温范围（℃）
允许偏差（℃）
镍铬-镍硅
WRN
K
0—1200
±2.5或0.75%︱t︱
镍铬-铜镍
WRE
E
0—900
±2.5或0.75%︱t︱
铂铑10-铂
WRP
S
0—1600
±1.5或0.25%︱t︱
铂铑30-铂铑6
WRR
B
600—1700
±1.5或0.25%︱t︱
铜-铜镍
WRC
T
-40—350
±1.0或0.75%︱t︱
铁-铜镍
WRF
J
-40—750
±2.5或0.75%︱t︱
说明：表中“t”为实测温度；代号后加“K”字即为铠装式热电偶。

图2 电偶的温度特性与赛贝克系数走向
图2给出了8种常用热电偶电压-温度曲线。铁、铂、铑、铜、阿留迈合金（镍铝合金）、克露美尔合金（镍铬合金）和康铜（铜镍合金）最为常用。如图2所示，E型热电偶最灵敏，对给定温度变化能产生最大输出电压，而B型测温范围最宽，K型线性最佳。

二、 研究现状与前景
1. 研究现状
热电偶传感器种类繁多，结构多样，测量范围宽，因此在工程测温上使用极为广泛。铂铑10 - 铂热电偶以其使用温度高、稳定性好，在IPTS- 68 温标中作为温标的内插仪器。随着科学技术的进步，人们发现由于内在缺陷，铂铑10 - 铂热电偶的测量精度不能超过±0.2 ℃，并且偏离热力学温度也比较大，因此在新温标ITS - 90 中，铂铑10 - 铂热电偶不再是温标的内插仪器。但是热电偶在测温领域中的发展并没有因此而停止，对热电偶新材料和新结构的研究更加深入，并取得了可喜的进展。
在人们开始对铂铑10 - 铂热电偶进行研究时就发现，在实际应用中铂铑10 - 铂热电偶测量温度值与温差热电势的关系不是单一的函数关系，而与热电偶丝所处环境的温度梯度有关。换句话说如果将热电偶的测温端和参考端都放在恒温器中，改变热电偶测温端和参考端之间温场的分布，测量所得到的温差热电势也随之改变。我们把这种现象叫做热电偶的不均匀现象。产生这种现象的原因主要有两个，一是热电偶丝材存在着应力，应力使得热电偶丝材金属的热电特性改变，通过足够时间的退火可以消除此项的影响；二是热电偶丝材成分的不均匀，这个问题是在热电偶丝材的制造过程中产生的，因为多数热电偶的材料是采用合金材料，在材料的熔炼配置过程中，很难使得生产出来的热电偶丝每一段的成分都一样，并且在制造成型后，更无法改变它的成分的均匀性。
要从根本上解决热电偶不均匀性带来问题，必须从热电偶的材料入手，各国目前都着手研究使用纯金属材料来制作热电偶。因为纯金属制成的热电偶材料可从根本上解决因材料不均匀而引起的热电偶不均匀问题。目前金/铂热电偶,铂/钯热电偶是各国研究的热点。
除了在热电偶材料上改进外，人们对热电偶的传统结构也进行了探索。传统的热电偶在结构上将热电偶电极的两种金属材料直接焊接在一起而构成测温端，使用双孔绝缘管(通常为氧化铝)将其隔离，人们发现在将热电偶放入较高温度时，由于构成热电偶两极的金属材料的热膨胀系数不同，而双孔绝缘管又将热电偶两极卡住，这样使得热电偶的测温端产生了机械应力，这些机构应力势必产生附加热电势。为了消除机械应力的影响，人们在热电偶的测温端做了改进，在热电偶的测温端不将正负电极直接焊接上，而用应力消除圈将热电偶的正负电极连接起来，这样在热电偶测温时由其两极金属材料的热膨胀系数差异而产生的机械应力将得到基本消除。
2. 发展方向
国内外的许多研究机构和制造商，根据工业过程自动化的检测和控制要求，不断设计和制造出许多新的热电偶，目前的发展趋势大致如下:
1) 产品结构铠装化
铠装热电偶具有寿命长、可弯曲、热响应时间小、耐震动等的优点，倍受用户青睐。它将逐步地代替过去用绝缘瓷珠穿丝的装配结构型式。
2) 产品结构安装套管化
由于热电偶检测元件实现了铠装化，因此可以做到整机与套管分离成两部分，用户可以预先将套管安装在工业过程设备上，热电偶可以在不停机的情况下安装或拆卸，设备中的介质不泄漏，既可靠又安全。
3) 检测、信号转换和现场显示一体化
随着电子产品的小型化，原来作为直流4～20mA或1～5V标准信号传输的热电偶系列的温度变送器也已小型化，可以安装在现场的热电偶接线盒内与热电偶成为一体，且只需用两根普通导线连接而不必使用较为昂贵的补偿导线。检测、信号转换和显示成为一体的带转换器、带显示的热电偶则可满足现场显示的需要。
近年来，现场总线已广泛应用于许多自动化控制领域，带智能型转换器的热电偶也已面世。它采用二线制4～20mA或数字化输，通过手持终端操作器接在4～20mA任意位置，实现数字信号通讯的现场或远距离重调。它还具有PID的控制功能。在这种情况下，4～20mA作为控制输出，过程变量是测量的温度值,，设置则可由操作者直接或使用一个可组态的设置操作器来调整，其输出信号可接到执行单元；同时信号的数字部分提供过程变量、输出、设置和其他转换参数或PID参数。

三、 应用分析
1. 应用实例
铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。它可以直接测量名种生产过程中从 0~800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。

图3 铠装热电偶
铠装热电偶的结构是由导体、高绝缘氧化镁、外套1Cr18Ni9Ti不锈钢保护管，经多次一体拉制而成。铠装热电偶产品主要由接线盒、接线端子和铠装热电偶组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。
铠装热电偶分绝缘式和接壳式两种。
基本技术指标：

类别（代号）
分度号
套管外径（ d）
常用温度（℃）
最高使用温度（℃）
允许偏差△ t
测温范围（℃）
允差值
镍铬—康铜
WREK
E
≥φ 3
600
700
0～700
± 2.5℃或
± 0.75%t
镍铬—镍硅
WRNK
K
≥φ 3
800
950
0～900
± 2.5℃或
± 0.75%t
铜—康铜
WRCK
T
≥φ 3
350
400
<-200
未作规定
-40～350
± 1℃或
± 0.75%t
注 :1、t为被测温度的绝对值
2、T型分度号产品需与厂方协商订货
2. 接口电路
由于热电偶只产生毫伏级输出，考虑到单片机的采样要求，要对输出信号采取线性放大。采用下图所示的放大电路可将输出放大100倍。

图4 热电偶放大电路
为了维持热电偶传感器系统的精度，参考接点必须处于严格定义的温度。在实际应用中，当环境参考温度发生变化时，必须引入补偿。

图5 冷端补偿电路
采用电子冷端补偿是非常有效的做法。如图所示，R1为上拉电阻，一方面产生了偏置，有效改善运放的输入失调，另一方面起“断偶报警”作用，因当热电偶长期使用老化开裂后呈开路形式，有R1将输入拉高，超越了正常输入范围，同时为防止对电势的影响，通常R1不小于20M。R2、C1组成一阶低通滤波器。VR1用于调整0输入时的静态偏差，而R4、VR2与R3决定同相放大器的环路放大倍数（选择同相形式可充分利用同相器的高阻抗特性）。输出电压的比例因子取决于电路中R5、VR3、R6的分压比。对照热电偶的温度系数，适当调整VR3，便可实现冷端受环境温度变化的完全补偿。

四、 参考文献
[1] 百度百科，词条“热电偶”、“热电效应”；
[2] 百度文库，《热电偶型号》；
[3] 马西秦主编，自动检测技术，机械工业出版社，2008.9；
[4] 郑玮、向明东、陈伟昕，热电偶精密测温技术的发展方向，《现代测量与实验室管理》2002 年第4 期；
[5] 游伯坤，热电偶与热电阻的新发展，中国仪电报，1999212201第4版；
[6] 陈浩、邓忠华、余红梅，热电偶测温系统原理及应用，《制造业自动化》，第26 卷第9 期，2004.9；
[7] 吴志祥，实用温度测量技术，《常州工学院学报》，VOL.16 NO.4，2003.10；
[8] 张庆玲，热电偶传感器测温系统的设计应用，《西北轻工业学院学报》，VOL.18，2000.3；
[9] 张成文、苍松，智能温度监测系统，《佳木斯大学学报》，VOL.18 NO.1，2000.3；
[10] 王魁汉、樊世川、崔传孟、周玮、李鹏，工业用新型温度传感器的开发与应用，《工业加热》，1999年第3期。