內(nèi)容編輯K型熱電偶在工業(yè)市場的應(yīng)用
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量溫度的目標(biāo)上。
兩種材料這樣聯(lián)接后會在未焊接的一端產(chǎn)生一個電壓，電壓數(shù)值是所有聯(lián)接端溫度的函數(shù)，熱電偶無需電壓或電流激勵。實(shí)際應(yīng)用時，如果試圖提供電壓或電流激勵反而會將誤差引進(jìn)系統(tǒng)。
鑒于熱電偶的電壓產(chǎn)生于兩種不同線材的開路端，其與外界的接口似乎可通過直接測量兩導(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，那末事情真會簡單至此。
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熱電偶，在系統(tǒng)中引入了極大的誤差，消除此誤差的Wei一辦法是檢測參考端的溫度(參見圖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，參考端溫度的精確檢測用熱電阻RTD，熱敏電阻或是集成電路溫度傳感器進(jìn)行。原則上說，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。
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，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)雜算法的一個實(shí)例，這是溫度系數(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：
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照表，這樣一張表4所列的K型熱電偶的系數(shù)計(jì)算對照表是一組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范圍，在一些惡劣環(huán)境下幾乎成為獨(dú)一無二的選擇。
熱電偶比較其他溫度傳感器的成本低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，體積小;但材料所受的任何應(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度方向上存在電壓降，但這并不意味著長度較短的熱電偶與長度較大的熱電偶相比，肯定會有不同的西貝克系數(shù)。
線材長度短，當(dāng)然會使溫度梯度陡峻，但從導(dǎo)電效應(yīng)來看，線材長度較大的熱電偶卻有它自己的優(yōu)點(diǎn)，這時溫度梯度是會小些，但導(dǎo)電損失也減小;但從長導(dǎo)線的負(fù)面效應(yīng)來看，長線材熱電偶的輸出電壓小，增加了后續(xù)信號調(diào)理電路的負(fù)擔(dān)。
除了輸出信號小之外，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)，需要一絕對溫度參考用作為冷端參考，如以軟件實(shí)現(xiàn)，則以對照表或多項(xiàng)式計(jì)算以減小熱電偶誤差。Zui后，電磁干擾會耦合進(jìn)這雙線系統(tǒng);小線規(guī)線材可用作高溫檢測，壽命也會長些，但如果靈敏度成為Zui重要因素，則大線規(guī)線材的測量性能好些。
總起來講，熱電偶由于可測溫度范圍大，機(jī)械強(qiáng)度高，及價格低，成為溫度測量的常選。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。
熱電阻測溫元件的技術(shù)在持續(xù)不斷地改進(jìn)，溫度測量的質(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)確測量。其他的溫度檢測器件，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極好的電阻溫度特性，大大簡化了信號處理電路的設(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為精確、可靠的溫度電阻特性。
因此，鉑電阻Zui適于需要Zui高的絕對精度及重復(fù)性使用場合，它對環(huán)境的敏感度極低，與此相比，銅電阻則易產(chǎn)生腐蝕，長期穩(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，適于對成本考慮較強(qiáng)，對熱響應(yīng)講究的場合。
鉑電阻的熱響應(yīng)速度影響測量時間，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，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絕對電阻數(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。
兩種材料這樣聯(lián)接后會在未焊接的一端產(chǎn)生一個電壓，電壓數(shù)值是所有聯(lián)接端溫度的函數(shù)，熱電偶無需電壓或電流激勵。實(shí)際應(yīng)用時，如果試圖提供電壓或電流激勵反而會將誤差引進(jìn)系統(tǒng)。
鑒于熱電偶的電壓產(chǎn)生于兩種不同線材的開路端，其與外界的接口似乎可通過直接測量兩導(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，那末事情真會簡單至此。
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熱電偶，在系統(tǒng)中引入了極大的誤差，消除此誤差的Wei一辦法是檢測參考端的溫度(參見圖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，參考端溫度的精確檢測用熱電阻RTD，熱敏電阻或是集成電路溫度傳感器進(jìn)行。原則上說，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。
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，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)雜算法的一個實(shí)例，這是溫度系數(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：
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照表，這樣一張表4所列的K型熱電偶的系數(shù)計(jì)算對照表是一組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范圍，在一些惡劣環(huán)境下幾乎成為獨(dú)一無二的選擇。
熱電偶比較其他溫度傳感器的成本低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，體積小;但材料所受的任何應(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度方向上存在電壓降，但這并不意味著長度較短的熱電偶與長度較大的熱電偶相比，肯定會有不同的西貝克系數(shù)。
線材長度短，當(dāng)然會使溫度梯度陡峻，但從導(dǎo)電效應(yīng)來看，線材長度較大的熱電偶卻有它自己的優(yōu)點(diǎn)，這時溫度梯度是會小些，但導(dǎo)電損失也減小;但從長導(dǎo)線的負(fù)面效應(yīng)來看，長線材熱電偶的輸出電壓小，增加了后續(xù)信號調(diào)理電路的負(fù)擔(dān)。
除了輸出信號小之外，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)，需要一絕對溫度參考用作為冷端參考，如以軟件實(shí)現(xiàn)，則以對照表或多項(xiàng)式計(jì)算以減小熱電偶誤差。Zui后，電磁干擾會耦合進(jìn)這雙線系統(tǒng);小線規(guī)線材可用作高溫檢測，壽命也會長些，但如果靈敏度成為Zui重要因素，則大線規(guī)線材的測量性能好些。
總起來講，熱電偶由于可測溫度范圍大，機(jī)械強(qiáng)度高，及價格低，成為溫度測量的常選。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。
熱電阻測溫元件的技術(shù)在持續(xù)不斷地改進(jìn)，溫度測量的質(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)確測量。其他的溫度檢測器件，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極好的電阻溫度特性，大大簡化了信號處理電路的設(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為精確、可靠的溫度電阻特性。
因此，鉑電阻Zui適于需要Zui高的絕對精度及重復(fù)性使用場合，它對環(huán)境的敏感度極低，與此相比，銅電阻則易產(chǎn)生腐蝕，長期穩(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，適于對成本考慮較強(qiáng)，對熱響應(yīng)講究的場合。
鉑電阻的熱響應(yīng)速度影響測量時間，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，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絕對電阻數(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。
