【摘要】 結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn),對工業(yè)過程及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常應(yīng)用的線型、鎧裝型、表面貼片型和表面貼塊型等各種不同外形結(jié)構(gòu)熱電偶的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測試,對其各自的應(yīng)用工況進(jìn)行分析和歸納,總結(jié)各類熱電偶適合的不同應(yīng)用和各自的優(yōu)勢及劣勢。
1、引言
熱電偶傳感器是人們基于塞貝克發(fā)現(xiàn)的 “熱電效應(yīng)” 原理而發(fā)的。其具有結(jié)構(gòu)簡單、 制造容易和測溫范圍大等特點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)樗己玫臏y溫精度和熱慣性小等特點(diǎn)， 被人們廣泛應(yīng)用于各種測溫場合。本文將基于幾種常見的熱電偶類型， 從響應(yīng)時(shí)間和應(yīng)用場合這兩方面做出分析和總結(jié)。
2、熱電偶的外形結(jié)構(gòu)分類
2.1 線型熱電偶
熱電偶本質(zhì)上就是由一端連接在一起， 另一端打開的合金組成。輸出端 （開口端） 的電動(dòng)勢emf是閉合端溫度T1的函數(shù)。
在該溫度增加時(shí)， 電動(dòng)勢emf也隨之升高。而線型熱電偶， 就基本完全延續(xù)了熱電偶的基礎(chǔ)外形特征， 通常都是裸線， 或用陶瓷護(hù)套、 絕緣層進(jìn)行絕緣， 但始終保持前端測溫點(diǎn)外露， 在熱電偶中屬于結(jié)構(gòu)較為簡單的類型。
2.2 鎧裝型熱電偶
鎧裝熱電偶， 有陶瓷鎧裝熱電偶和金屬鎧裝熱電偶， 實(shí)用中以金屬鎧裝居多。金屬鎧裝熱電偶通常都是由半成品的礦物絕緣金屬護(hù)套加工而成的。金屬護(hù)套中預(yù)制熱電偶絲并填充氧化鎂粉末。這些金屬護(hù)套半成品， 由軋制、 拉伸等方式壓縮減小至要求的直徑， 再對前端的偶絲進(jìn)行點(diǎn)焊后封裝， 后端焊接延長線纜后灌注環(huán)氧樹脂密封， 即制成了金屬鎧裝熱電偶。
2.3 表面貼片型熱電偶
表面貼片式熱電偶從結(jié)構(gòu)上區(qū)分， 主要可以分為兩個(gè)部分：
（1） 傳統(tǒng)的裸露型焊點(diǎn)線型熱電偶；
（2） 帶粘附效果的柔性貼片或模塑貼片。從其結(jié)構(gòu)即可得知， 表面貼片型的熱電偶實(shí)為線型熱電偶的另一種形式， 其特點(diǎn)在于更易安裝。與線型熱電偶僅適合放置在介質(zhì)中測溫不同， 表面貼片型熱電偶由于其易粘易取的特點(diǎn)， 更適合于測硬質(zhì)物體的表面溫度。也因此更多地應(yīng)用于各類實(shí)驗(yàn)場合。
2.4 表面貼塊型熱電偶
表面貼塊型熱電偶外形多樣， 其核心特點(diǎn)是在熱電偶的測溫端增加一個(gè)能夠充分貼合物體表面的小貼塊。小尺寸的貼塊可以減小測溫端的熱容量， 加快響應(yīng)速度。比較典型的有螺栓孔熱電偶和矩形貼塊熱電偶。
3、熱電偶的響應(yīng)時(shí)間分析
傳感器響應(yīng)時(shí)間常數(shù)通常又被俗稱為響應(yīng)時(shí)間， 它被用來定義傳感器在某些特定條件下對被測物理量變化反應(yīng)的快慢。
對于溫度傳感器而言， 定義在 “流速1米/秒時(shí)傳感器在水中達(dá)到介質(zhì)溫度63.2%的階躍變化時(shí)所需的時(shí)間” 為傳感器的響應(yīng)時(shí)間。值 63.2% （也稱為主時(shí)間常數(shù)） 是目前國際上#通用也#常用的響應(yīng)時(shí)間界定范圍， 本文中的實(shí)驗(yàn)使用了63.2%和90%兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。并參考了熱電阻溫度計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60751， 使用近似的裝置和方法進(jìn)行測試。在實(shí)驗(yàn)室中能夠較為準(zhǔn)確測試的基本有三種方式。
3.1 空氣中響應(yīng)時(shí)間測試
圖2所示為25 ℃ 室溫、 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力環(huán)境、 空氣流動(dòng)速度為每秒20m （65'） 條件下， 在空氣介質(zhì)中使用不同結(jié)構(gòu)及粗細(xì)的熱電偶實(shí)驗(yàn)得到的時(shí)間常數(shù)。圖2中左側(cè)曲線為裸露端點(diǎn)線性熱電偶測量結(jié)果， 右側(cè)曲線為非裸露型鎧裝熱電偶測量結(jié)果。
由圖2， 線型熱電偶響應(yīng)速度較鎧裝型熱電偶而言優(yōu)勢顯著。經(jīng)公司實(shí)驗(yàn)室多次試驗(yàn)， 用外露型對焊0.025mm （0.001"） 直徑熱電偶線制成的熱電偶的時(shí)間常數(shù)≈0.003秒。
3.2 水中響應(yīng)時(shí)間測試
由于實(shí)際應(yīng)用中幾乎不使用線型或表面型熱電偶直接測試液體溫度， 因此水中響應(yīng)時(shí)間測試只針對多應(yīng)用于液體測溫場合的鎧裝熱電偶進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中， 熱電偶靜置于25 ℃ 的室溫下，試驗(yàn)水溫90 ℃ ， 流速2m/s。鎧裝探棒快速插入水中約200mm，通過電腦實(shí)時(shí)記錄溫升的變化。實(shí)驗(yàn)選取不同直徑、 不同接點(diǎn)類型的熱電偶進(jìn)行分別比對。測試結(jié)果見圖3。
3.3 表面溫度響應(yīng)時(shí)間測試
表面溫度響應(yīng)時(shí)間測試， 只針對表面貼片型和表面貼塊型熱電偶。
實(shí)驗(yàn)中， 采用公司自產(chǎn)的CL1600-240V試驗(yàn)裝置， 設(shè)定溫度100 ℃ ， 表面型熱電偶靜置于25 ℃ 室溫中。實(shí)驗(yàn)開始后， 將熱電偶迅速貼附于金屬高溫表面， 觀測并記錄熱電偶的信號(hào)輸出情況。因該實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制， 需要人手工操作， 精que性遜于空氣中及水中響應(yīng)時(shí)間測試。通過測試得出， 表面貼片熱電偶升溫至90%設(shè)定溫度值， 需時(shí)0.6S； 表面貼塊熱電偶則需約1.1S左右。
4、不同結(jié)構(gòu)熱電偶的應(yīng)用場合
工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的工況各有不同， 對應(yīng)用于測溫的熱電偶也會(huì)有多種要求， 不同類型不同結(jié)構(gòu)的三暢熱電偶， 只有用在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用環(huán)境， 才能發(fā)揮其自身優(yōu)勢， 實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地測溫。
4.1 線型熱電偶
直徑細(xì)， 彎折性極佳的線型熱電偶及其他各種結(jié)構(gòu)熱電偶的原形， 在使用中也有著多種多樣的實(shí)際應(yīng)用。
4.1.1 適宜工況
實(shí)際應(yīng)用中， 尤其是科學(xué)實(shí)驗(yàn)中， 對熱電偶的直徑要求非常高， 通常會(huì)采用AWG 40 （直徑0.079mm） 的細(xì)線熱電偶甚至更小的直徑。細(xì)小的直徑配合極佳的彎折性， 能夠讓線型熱電偶成為狹小工況的shou選。同時(shí)， 極細(xì)的線徑又減小了熱電偶的熱容量， 使得其反應(yīng)速度大大提升。以下是線型熱電偶的適宜工況：
（1） 電子元件或電路板上的狹小空間測溫； （2） 環(huán)境或空氣測溫；（3） 狹小的實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部測溫 （如線網(wǎng)反應(yīng)器絲網(wǎng)） 。
4.1.2 不適宜工況
線型熱電偶通常直接將測溫焊點(diǎn)裸露， 在快速測溫的同時(shí)，也導(dǎo)致了其易氧化、 抗干擾性差等特點(diǎn)。測溫端無絕緣， 使得線型熱電偶在測量水或其他液體時(shí)顯得捉襟見肘， 浸沒時(shí)間長了易氧化， 抗干擾性不佳等劣勢紛紛暴露。以下是其不適宜的工況： （1） 水及多種液體介質(zhì)； （2） 帶電物體 （微小電壓也會(huì)產(chǎn)生很大影響） 。
4.2 鎧裝熱電偶
鎧裝熱電偶外部為圓柱形金屬包殼， 裸線熱電偶置于內(nèi)部，再取氧化鎂/氧化鋁粉末進(jìn)行致密填充， 使三暢熱電偶與鎧裝外包殼絕緣， 經(jīng)過封裝后， #終制成了圓柱形鎧裝熱電偶測溫而探桿。
4.2.1 適宜工況
鎧裝型熱電偶可彎曲、 耐壓好、 強(qiáng)度高。尤其在配合金屬套管一同使用后， 被測介質(zhì)對鎧裝探桿磨損和腐蝕等不良影響被減至#小， 大大提升了耐用性和使用壽命。這種形式的熱電偶更是廣泛應(yīng)用于電力、 化工等各類工業(yè)場合， 成為了工業(yè)使用中#普及的測溫傳感器之一。以下是適宜工況： （1） 工業(yè)管道安裝， 適宜測各類液體介質(zhì)； （2） 壓力容器安裝， 配合重載金屬套管承壓更高。
4.2.2 不適宜工況
鎧裝型熱電偶盡管可彎曲， 但結(jié)構(gòu)特性決定了其彎折范圍有限， 彎折半徑通常僅限于直徑的三倍。且其護(hù)套相較其他類型熱電偶較粗， 狹小空間內(nèi)安裝嚴(yán)重受限。同樣基于護(hù)套的原因， 鎧裝型熱電偶的熱容量大， 升溫速度明顯較慢。以下是不適宜的工況： （1） 需要彎折的管道或腔室； （2） 狹小空間； （3） 需要快速響應(yīng)的場合。
4.3 表面貼片式熱電偶&表面貼塊式熱電偶
此處將兩種表面式測溫?zé)犭娕己喜⒂懻摗１砻媸綗犭娕甲鳛槠胀犭娕嫉囊环N特殊形式， 其目的非常明確， 即應(yīng)用于僅需表面測溫的物體。工業(yè)過程或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中， 經(jīng)常會(huì)有無法直接測量液體或氣體溫度的情況， 或?yàn)闂l件不允許， 或?yàn)闇y溫要求不高。這種時(shí)候就適合用表面式的熱電偶貼附于管道、 容器或者硬質(zhì)物體平面上進(jìn)行測溫。其貼片或扎帶， 能起到充分固定和將熱電偶緊密貼合于被測物體的作用， 在可能的限度內(nèi)#大提升測溫的準(zhǔn)確性。
本文shou先簡述了線型、 鎧裝型、 表面貼片和表面貼塊型熱電偶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 接著基于各類不同結(jié)構(gòu)的三暢熱電偶進(jìn)行了響應(yīng)時(shí)間測試， 分析比較了它們各自熱響應(yīng)的能力。#后， 分類別地討論各種熱電偶的特點(diǎn)， 逐一闡述了它們各自適宜和不適宜的應(yīng)用場合。希望能為自動(dòng)化測量行業(yè)的從業(yè)工程師提供一些經(jīng)驗(yàn)。
