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K型热电偶在工业市场的应用

在各种各样的测量技术中,温度的测量可能是zui为常见的一种,因为任何的应用领域,掌握温度的确切数值,了解温度与实际状态之间的差异等,都具有极为重要的意义。就以测量为例,在力的测量,压力,流量,位置及电平高低等测量的过程中,为了提高测量精度,通常都会要求对温度进行监视,如压力或力的测量,往往是使用惠斯登电阻电桥,但组成电桥的电阻随温度变化引起的误差,往往会大大超过待测力引起的电阻值变化,如不对温度进行监控并据此校正测量结果,则测量完全不可能进行或者毫无效果。其他参数测量也有类似问题,可以说,各种的物理量都是温度的函数,要得到的测定结果,必须针对温度的变化,作出的校正。本文就是帮助读者针对特定的用途,选择zui为合适的温度传感器,并进行的温度测量。
  
  工业上常用的温度传感器有四类:即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温度传感器;每一类温度传感器有自己独特的温度测量范围,有自己适用的温度环境;没有一种温度传感器可以通用于所有的用途:热电偶的可测温度范围zui宽,而热电阻的测量线性度zui优,热敏电阻的测量精度zui高。表1是四类传感器的各自独特的性能特性及相互比较。表2是四类传感器的典型应用领域。
  
  热电偶--通用而经济
  
  热电偶由二根不同的金属线材,将它们一端焊接在一起构成,如图1所示;参考端温度(也称冷补偿端)用来消除铁-铜相联及康铜-铜联接端所贡献的误差;而两种不同金属的焊接端放置于需要测量温度的目标上。
  
  两种材料这样联接后会在未焊接的一端产生一个电压,电压数值是所有联接端温度的函数,热电偶无需电压或电流激励。实际应用时,如果试图提供电压或电流激励反而会将误差引进系统。
  
  鉴于热电偶的电压产生于两种不同线材的开路端,其与外界的接口似乎可通过直接测量两导线之间的电压实现;如果热电偶的的两端头不是联接至另外金属,通常是铜,那末事情真会简单至此。
  
  但热电偶需与另外一种金属联接这一事实,实际上又建立了新的一对热电偶,在系统中引入了极大的误差,消除此误差的*办法是检测参考端的温度(参见图1),以硬件或硬件-软件相结合的方式将这一联接所贡献的误差减掉,纯硬件消除技术由于线性化校正的因素,比软件-硬件相结合技术受限制更大。一般情况下,参考端温度的检测用热电阻RTD,热敏电阻或是集成电路温度传感器进行。原则上说,热电偶可由任意的两种不同金属构建而成,但在实践中,构成热电偶的两种金属组合已经标准化,因为标准组合的线性度及所产生的电压与温度的关系更趋理想。
  
  表3与图2是常用的热电偶E,J,T,K,N,S,BR的特性。
  
  热电偶是一种高度非线性器件,需作大力线性化算法处置。表3的西贝克系数是某种热电偶在规定温度下的平均飘移。
  
  热电偶交货时,其性能由制造商按NIST175标准保证(此标准已被ASTM采纳),标准规定了热电偶的温度特性以及所用原材料的品质。与热电阻RTD,热敏电阻及集成电路硅传感器相比,热电偶的非线性极其严重,因此,在电路部分,必须进行复杂的算法处理,表4所示是复杂算法的一个实例,这是K型热电偶的温度系数,可将其在0度至1372度范围内予以线性化,这些系数应用于以下方程:
  
  式中:V是热电偶两端的电压;
  
  T是温度
  
  另一种这些复杂计算方法的应用是在处理程序中制作一张对照表,这样一张表4所列的K型热电偶的系数计算对照表是一组11X14阵列的十进制数,范围为0.000-13.820;
  
  除此之外,热电偶由于与参考温度之间有一定的函数关系,它能确定温度的数值,(参考温度定义为热电偶导线相对其焊接端的远端端头温度,通常用热电阻RTD,热敏电阻或硅集成电路传感器测定)。
  
  与热电阻RTD,热敏电阻相比,热电偶的热质量较小,因此其响应速度较快。这种温度传感器由于其宽广的温度检测范围,在一些恶劣环境下几乎成为*的选择。
  
  热电偶误差分析
  
  热电偶比较其他温度传感器的成本低,结构强度大,体积小;但材料所受的任何应力,如弯曲,拉伸,压缩均可改变热梯度特性;此外,腐蚀介质可穿透其绝缘外皮,引起其热力学特性的改变,给热电偶加一保护性管壳,如陶瓷管以作高温保护是可行的,金属热阱也可提供机械保护。热电偶电压沿两种不同金属的长度方向上存在电压降,但这并不意味着长度较短的热电偶与长度较大的热电偶相比,肯定会有不同的西贝克系数。
  
  线材长度短,当然会使温度梯度陡峻,但从导电效应来看,线材长度较大的热电偶却有它自己的优点,这时温度梯度是会小些,但导电损失也减小;但从长导线的负面效应来看,长线材热电偶的输出电压小,增加了后续信号调理电路的负担。
  
  除了输出信号小之外,器件的线性度差需要大额度的校准,通常是以硬件与软件实现,如以硬件实现,需要一温度参考用作为冷端参考,如以软件实现,则以对照表或多项式计算以减小热电偶误差。zui后,电磁干扰会耦合进这双线系统;小线规线材可用作高温检测,寿命也会长些,但如果灵敏度成为zui重要因素,则大线规线材的测量性能好些。
  
  总起来讲,热电偶由于可测温度范围大,机械强度高,及价格低,成为温度测量的常选。高精度系统要求的线性度及准确度,要实现并不容易。如果精度要求更高,则应选择其他的温度传感器。
  
  热电阻RTD--热电偶的替代器件
  
  热电阻测温元件的技术在持续不断地改进,温度测量的质量在不断提高,但要真正实现高质量、高精度的温度测量系统,热电阻的器件选择仍然极为重要。热电阻系一电阻性的元件,由金属制成,如铂,镍,铜等,所选金属必须具有可以预测的电阻值随温度变化的特性,其物理性能要易于加工制造,电阻温度系数必须足够大,使其电阻随温度的改变易于准确测量。其他的温度检测器件,如热电偶,并不能让设计人员有一种相当线性的电阻随温度变化特性,而热电阻这种线性度极好的电阻温度特性,大大简化了信号处理电路的设计制作。图5所示系热电阻的温度电阻特性,其中又以铂电阻在三种金属中具有zui为、可靠的温度电阻特性。
  
  因此,铂电阻zui适于需要zui高的精度及重复性使用场合,它对环境的敏感度极低,与此相比,铜电阻则易产生腐蚀,长期稳定性差,而镍电阻虽然环境宽容度好,但适用温度范围较窄。
  
  铂电阻的对温度响应的线性度好,化学惰性,容易加工制作直径较细的线材或是厚度小的箔材,铂的电阻率高于其他的热电阻材料,在电阻值相同的情况要求用材少,适于对成本考虑较强,对热响应讲究的场合。
  
  铂电阻的热响应速度影响测量时间,它还取决于电阻的壳体及本身的尺寸情况,元件本身的尺寸小,外壳尺寸也可做得小些,一般地说,铂热电阻的响应速度要比以半导体制作的温度传感器响应快。
  
  热电阻在摄氏零度的电阻数值范围很大,可以由用户规定,如铂电阻的标准电阻为100欧,但也有50,100,200,5001000or2000?等阻值。
  
  大致的要点:
  
  1.温度传感器概述:应用领域,重要性;
  
  2.四种主要的温度传感器类型的横向比较
  
  3.热电偶传感器
  
  4.热电阻传感器
  
  5.热敏电阻传感器
  
  6.集成电路温度传感器以及典型产品举例
  
  7.温度传感器的正确选择及应用
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