热电偶温度传感器及发展趋向分析
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【摘 要】文章围绕热电偶温度传感器的高质量应用展开论述，分析了热电偶的运行原理、分类以及保护装置，对其有一个基本的了解，随后从三个方面阐述了热电偶温度传感器的实际运用，最后则总结了其发展趋向，从而得出热电偶温度传感器对于工业行业的重要意义。
【关键词】热电偶温度传感器;抗氧化钨徕热电偶;复合管型恺装热电偶;金/铂热电偶
在瞬态温度测量过程中，温度随时间不断变化，同时测试环境可能存在高压或高速流动的情况，由于热电偶温度传感器内部感温元件的热惯性及自身存在的有限热传导，测得的温度与实际温度存在着一定的偏差，因此要保证瞬态测温的准确度是非常困难的#为尽量减少此类系统误差，需要采用动态校准的方法对传感器的测温结果进行修正使其更接近于真实的温度信号。
热电偶温度传感器主体实际上由两种不同性质的导体或半导体一端焊接在一起而成，构造简单。它之所以具有较高的准确性，是因为在测温时它与被测物体直接接触不受中间介质的影响。常用热电偶的测温范围从-200～1300℃不等。随着科技的发展，各种特殊材料广泛应用到热电极中，从而使其具有更高的精确度与灵敏度。
1 热电偶工作原理与分类
热电偶的工作原理是基于塞贝克效应，即：如果由两种不同成分的均质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就有电流通过，那么两端之间就存在塞贝克电势—热电势[1]。其值与组成热电偶的金属材料性质、热端与冷端的温度差的大小有关，而与热电极的长短、直径大小无关。热电偶是将温度转成热电势的一种感温元件，配以二次仪表通过测量热电势从而测定出温度值。
标准化热电偶工艺比较成熟，应用广泛，性能优良稳定，能成批生产，同一型号可以互换，统一分度，并有配套仪表。
2 热电偶的保護装置
热电偶的保护装置被称为保护套管，它可以使热电极和被测介质不直接接触，能防止或减少火焰和气流的冲刷与辐射，以保证它具有较长的使用寿命。为提高测温精确度，保护热电极，保护套管的材料应具有以下性能：气密性好;物理化学性能稳定;导热性能好;应有足够的机械强度。对于一些特殊场合，保护套管的材料也有特殊的要求。目前我国热电偶保护套管按其材质主要分为金属、非金属两大类。
3 新型热电偶温度传感器的研究与应用
3.1抗氧化钨徕热电偶
难融金属热电偶中钨抹热电偶是最成功的，也是可测到1800℃以上工业热电偶中最好的热电偶。在宇航与核工业等高技术领域应用广泛。这种热电偶的特点是：电极丝的熔点高、强度大;极易氧化;热电势大，灵敏度高;价格便宜，钨镍热电极丝价格仅为S型热电偶的1/6，B型热电偶的1/8。
一种设想是在钨徕热电偶保护管内制造出非氧化性气氛，使其在非氧化性气氛中工作，国内外均取得突破性进展，在冶金、化工等行业应用已取得满意效果。东北大学已研制的实体性抗氧化钨徕热电偶已获得国家专利。既可用于氧化、还原气氛，又可以在两者交替的气氛中使用。自1992年起，沈阳冶炼厂用它替代铂锗系贵金属热电偶[2]。结果表明：其使用寿命是铂锗系热电偶的1～2倍，而价格不足铂锗热电偶的一半，具有显著的经济效益和社会效益。当前，铂铭热电偶价格昂贵，推广抗氧化钨徕热电偶符合国情，势在必行。
3.2复合管型恺装热电偶
美国Hoskins公司开发出一种复合管型恺装热电偶2300型，可长时间在1260℃条件下使用。它的特点是：采用特种镍基耐热合金作恺装热电偶套管材料;采用高精度N型或K型热电偶丝及高纯度Mg0，以特殊的工艺制成复合管型恺装热电偶，高温下热稳定性高;生产工艺独特，可生产超常规的长热电偶（L=SOOm），其直径为1.0～6.4mm;耐高温，抗氧化，使用寿命长。
3.3金/铂热电偶
早在ITS-90温标实施前，加拿大人E.H Mclaren和E.G.Murdock就开始了对金/铂热电偶进行研究，通过大量的实验工作发现，使用纯铂和纯金构成的热电偶具有良好的复现性。ITS-90温标实施后，人们对高温铂电阻HTPRT使用到银凝固点（961.78℃）的稳定性产生了质疑，这时，很多人寻求一种更好的测温元件，金/铂热电偶成为众多国家研究的对象。美国NIST、英国NPL、韩国KRISS等研究机构都进行了研究，其中美国NIST的G.W.Burns等人在他们的题目为《金/铂热电偶：研究数据及ITS-90温标下的参考函数》中指出“在0℃～1000℃温区内，金/铂热电偶在两年的实验中在961℃～965℃累计1000h的条件下，在银凝固点（961.7℃）的稳定性不超过t16mK，其在铝凝固点上进行的均匀性的研究表明它的不均匀性为2mK（浸入深度变化7.4cm）[3]。这些数据表明在银凝固点（961.78）的稳定性比高温铂电阻温度计HTPRT更好。目前国际上已经有了得到大家认可的金/铂热电偶的分度表，金/铂热电偶已经进人了应用阶段。我国已经开展了此项研究。
4 热电偶温度传感器发展趋向
近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。热电偶温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。热电偶温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。
结束语
综上所述，热电偶作为工业领域应用最为普遍的测温元件，其灵敏度以及稳定性是目前研究的要点，新材料与配件也得到了运用。基于目前发展趋势，可以相信在今后热电偶温度传感器将会为工业测量发挥更大的作用。
参考文献：
[1]李振伟，刘泽元，刘畅，朱熙，王晶.基于MEMS的航天器表面新型测温传感器设计与实现[J].计算机测量与控制，2018，26（06）：281-284.
[2]丁炯，唐宵，杨遂军，叶树亮.基于小型爆燃发生装置的温度传感器动态特性标定[J].传感技术学报，2018，31（02）：195-201.
[3]王林泓.Proteus在《传感器与检测技术》教学中的应用——以热电偶传感器为例[J].科技资讯，2017，15（28）：143-146.
（作者单位：广西壮族自治区计量检测研究院）
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