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 引文 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。 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 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。 研究现状与前景 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