K型熱電偶在工業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用

　　在各種各樣的測(cè)量技術(shù)中，溫度的測(cè)量可能是zui為常見(jiàn)的一種，因?yàn)槿魏蔚膽?yīng)用領(lǐng)域，掌握溫度的確切數(shù)值，了解溫度與實(shí)際狀態(tài)之間的差異等，都具有極為重要的意義。就以測(cè)量為例，在力的測(cè)量，壓力，流量，位置及電平高低等測(cè)量的過(guò)程中，為了提高測(cè)量精度，通常都會(huì)要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視，如壓力或力的測(cè)量，往往是使用惠斯登電阻電橋，但組成電橋的電阻隨溫度變化引起的誤差，往往會(huì)大大超過(guò)待測(cè)力引起的電阻值變化，如不對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并據(jù)此校正測(cè)量結(jié)果，則測(cè)量*不可能進(jìn)行或者毫無(wú)效果。其他參數(shù)測(cè)量也有類似問(wèn)題，可以說(shuō)，各種的物理量都是溫度的函數(shù)，要得到的測(cè)定結(jié)果，必須針對(duì)溫度的變化，作出的校正。本文就是幫助讀者針對(duì)特定的用途，選擇zui為合適的溫度傳感器，并進(jìn)行的溫度測(cè)量。
　　
　　工業(yè)上常用的溫度傳感器有四類：即熱電偶、熱電阻RTD、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器；每一類溫度傳感器有自己*的溫度測(cè)量范圍，有自己適用的溫度環(huán)境；沒(méi)有一種溫度傳感器可以通用于所有的用途：熱電偶的可測(cè)溫度范圍zui寬，而熱電阻的測(cè)量線性度*，熱敏電阻的測(cè)量精度zui高。表1是四類傳感器的各自*的性能特性及相互比較。表2是四類傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域。
　　
　　熱電偶--通用而經(jīng)濟(jì)
　　
　　熱電偶由二根不同的金屬線材，將它們一端焊接在一起構(gòu)成，如圖1所示；參考端溫度（也稱冷補(bǔ)償端）用來(lái)消除鐵-銅相聯(lián)及康銅-銅聯(lián)接端所貢獻(xiàn)的誤差；而兩種不同金屬的焊接端放置于需要測(cè)量溫度的目標(biāo)上。
　　
　　兩種材料這樣聯(lián)接后會(huì)在未焊接的一端產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓數(shù)值是所有聯(lián)接端溫度的函數(shù)，熱電偶無(wú)需電壓或電流激勵(lì)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果試圖提供電壓或電流激勵(lì)反而會(huì)將誤差引進(jìn)系統(tǒng)。
　　
　　鑒于熱電偶的電壓產(chǎn)生于兩種不同線材的開(kāi)路端，其與外界的接口似乎可通過(guò)直接測(cè)量?jī)蓪?dǎo)線之間的電壓實(shí)現(xiàn)；如果熱電偶的的兩端頭不是聯(lián)接至另外金屬，通常是銅，那末事情真會(huì)簡(jiǎn)單至此。
　　
　　但熱電偶需與另外一種金屬聯(lián)接這一事實(shí)，實(shí)際上又建立了新的一對(duì)熱電偶，在系統(tǒng)中引入了極大的誤差，消除此誤差的*辦法是檢測(cè)參考端的溫度（參見(jiàn)圖1），以硬件或硬件-軟件相結(jié)合的方式將這一聯(lián)接所貢獻(xiàn)的誤差減掉，純硬件消除技術(shù)由于線性化校正的因素，比軟件-硬件相結(jié)合技術(shù)受限制更大。一般情況下，參考端溫度的檢測(cè)用熱電阻RTD，熱敏電阻或是集成電路溫度傳感器進(jìn)行。原則上說(shuō)，熱電偶可由任意的兩種不同金屬構(gòu)建而成，但在實(shí)踐中，構(gòu)成熱電偶的兩種金屬組合已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)組合的線性度及所產(chǎn)生的電壓與溫度的關(guān)系更趨理想。
　　
　　表3與圖2是常用的熱電偶E,J,T,K,N,S,BR的特性。
　　
　　熱電偶是一種高度非線性器件，需作大力線性化算法處置。表3的西貝克系數(shù)是某種熱電偶在規(guī)定溫度下的平均飄移。
　　
　　熱電偶交貨時(shí)，其性能由制造商按NIST175標(biāo)準(zhǔn)保證（此標(biāo)準(zhǔn)已被ASTM采納），標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱電偶的溫度特性以及所用原材料的品質(zhì)。與熱電阻RTD，熱敏電阻及集成電路硅傳感器相比，熱電偶的非線性極其嚴(yán)重，因此，在電路部分，必須進(jìn)行復(fù)雜的算法處理，表4所示是復(fù)雜算法的一個(gè)實(shí)例，這是K型熱電偶的溫度系數(shù)，可將其在0度至1372度范圍內(nèi)予以線性化，這些系數(shù)應(yīng)用于以下方程：
　　
　　式中：V是熱電偶兩端的電壓；
　　
　　T是溫度
　　
　　另一種這些復(fù)雜計(jì)算方法的應(yīng)用是在處理程序中制作一張對(duì)照表，這樣一張表4所列的K型熱電偶的系數(shù)計(jì)算對(duì)照表是一組11X14陣列的十進(jìn)制數(shù)，范圍為0.000-13.820;
　　
　　除此之外，熱電偶由于與參考溫度之間有一定的函數(shù)關(guān)系，它能確定溫度的數(shù)值，（參考溫度定義為熱電偶導(dǎo)線相對(duì)其焊接端的遠(yuǎn)端端頭溫度，通常用熱電阻RTD，熱敏電阻或硅集成電路傳感器測(cè)定）。
　　
　　與熱電阻RTD，熱敏電阻相比，熱電偶的熱質(zhì)量較小，因此其響應(yīng)速度較快。這種溫度傳感器由于其寬廣的溫度檢測(cè)范圍，在一些惡劣環(huán)境下幾乎成為*的選擇。
　　
　　熱電偶誤差分析
　　
　　熱電偶比較其他溫度傳感器的成本低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，體積?。坏牧纤艿娜魏螒?yīng)力，如彎曲，拉伸，壓縮均可改變熱梯度特性；此外，腐蝕介質(zhì)可穿透其絕緣外皮，引起其熱力學(xué)特性的改變，給熱電偶加一保護(hù)性管殼，如陶瓷管以作高溫保護(hù)是可行的，金屬熱阱也可提供機(jī)械保護(hù)。熱電偶電壓沿兩種不同金屬的長(zhǎng)度方向上存在電壓降，但這并不意味著長(zhǎng)度較短的熱電偶與長(zhǎng)度較大的熱電偶相比，肯定會(huì)有不同的西貝克系數(shù)。
　　
　　線材長(zhǎng)度短，當(dāng)然會(huì)使溫度梯度陡峻，但從導(dǎo)電效應(yīng)來(lái)看，線材長(zhǎng)度較大的熱電偶卻有它自己的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)溫度梯度是會(huì)小些，但導(dǎo)電損失也減??；但從長(zhǎng)導(dǎo)線的負(fù)面效應(yīng)來(lái)看，長(zhǎng)線材熱電偶的輸出電壓小，增加了后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路的負(fù)擔(dān)。
　　
　　除了輸出信號(hào)小之外，器件的線性度差需要大額度的校準(zhǔn)，通常是以硬件與軟件實(shí)現(xiàn)，如以硬件實(shí)現(xiàn)，需要一溫度參考用作為冷端參考，如以軟件實(shí)現(xiàn)，則以對(duì)照表或多項(xiàng)式計(jì)算以減小熱電偶誤差。zui后，電磁干擾會(huì)耦合進(jìn)這雙線系統(tǒng)；小線規(guī)線材可用作高溫檢測(cè)，壽命也會(huì)長(zhǎng)些，但如果靈敏度成為zui重要因素，則大線規(guī)線材的測(cè)量性能好些。
　　
　　總起來(lái)講，熱電偶由于可測(cè)溫度范圍大，機(jī)械強(qiáng)度高，及價(jià)格低，成為溫度測(cè)量的常選。高精度系統(tǒng)要求的線性度及準(zhǔn)確度，要實(shí)現(xiàn)并不容易。如果精度要求更高，則應(yīng)選擇其他的溫度傳感器。
　　
　　熱電阻RTD--熱電偶的替代器件
　　
　　熱電阻測(cè)溫元件的技術(shù)在持續(xù)不斷地改進(jìn)，溫度測(cè)量的質(zhì)量在不斷提高，但要真正實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的溫度測(cè)量系統(tǒng)，熱電阻的器件選擇仍然極為重要。熱電阻系一電阻性的元件，由金屬制成，如鉑，鎳，銅等，所選金屬必須具有可以預(yù)測(cè)的電阻值隨溫度變化的特性，其物理性能要易于加工制造，電阻溫度系數(shù)必須足夠大，使其電阻隨溫度的改變易于準(zhǔn)確測(cè)量。其他的溫度檢測(cè)器件，如熱電偶，并不能讓設(shè)計(jì)人員有一種相當(dāng)線性的電阻隨溫度變化特性，而熱電阻這種線性度*的電阻溫度特性，大大簡(jiǎn)化了信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)制作。圖5所示系熱電阻的溫度電阻特性，其中又以鉑電阻在三種金屬中具有zui為、可靠的溫度電阻特性。
　　
　　因此，鉑電阻zui適于需要zui高的精度及重復(fù)性使用場(chǎng)合，它對(duì)環(huán)境的敏感度極低，與此相比，銅電阻則易產(chǎn)生腐蝕，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，而鎳電阻雖然環(huán)境寬容度好，但適用溫度范圍較窄。
　　
　　鉑電阻的對(duì)溫度響應(yīng)的線性度好，化學(xué)惰性，容易加工制作直徑較細(xì)的線材或是厚度小的箔材，鉑的電阻率高于其他的熱電阻材料，在電阻值相同的情況要求用材少，適于對(duì)成本考慮較強(qiáng)，對(duì)熱響應(yīng)講究的場(chǎng)合。
　　
　　鉑電阻的熱響應(yīng)速度影響測(cè)量時(shí)間，它還取決于電阻的殼體及本身的尺寸情況，元件本身的尺寸小，外殼尺寸也可做得小些，一般地說(shuō)，鉑熱電阻的響應(yīng)速度要比以半導(dǎo)體制作的溫度傳感器響應(yīng)快。
　　
　　熱電阻在攝氏零度的電阻數(shù)值范圍很大，可以由用戶規(guī)定，如鉑電阻的標(biāo)準(zhǔn)電阻為100歐，但也有50,100,200,5001000or2000?等阻值。
　　
　　大致的要點(diǎn)：
　　
　　1．溫度傳感器概述：應(yīng)用領(lǐng)域，重要性；
　　
　　2．四種主要的溫度傳感器類型的橫向比較
　　
　　3．熱電偶傳感器
　　
　　4．熱電阻傳感器
　　
　　5．熱敏電阻傳感器
　　
　　6．集成電路溫度傳感器以及典型產(chǎn)品舉例
　　
　　7．溫度傳感器的正確選擇及應(yīng)用
；景向前