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鉑銠熱電偶

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降低鉑銠型熱電偶測溫成本的實現方法

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2019-09-24

    摘 要:目前測量高溫一般都采用低成本的 K 型鎳鉻熱電偶,但它隻能在 700℃以下才能長期穩定的測量,長期在 700℃以上的溫度 環境下往往因氧化而導致壽命急劇縮短,當溫度上升到 1300℃以上時,則可能在瞬間損壞。如果需要長期穩定的測量 1000℃以上的溫度 時,隻能采用高成本的 B 型/R 型或 S 型的鉑銠貴金屬材料的熱電偶。因為鉑銠熱電偶耐氧化性強,高溫工作下穩定,所以適合需要長期測量1500℃以下溫度範圍的環境。但是這種貴金屬材料價格很高,基本上很難大範圍的運用到的產品中。針對此問題,本文提出了一種解決方 案,盡可能的降低使用鉑銠熱電偶的材料成本,再配合軟件算法,則可實現用較少的鉑銠貴金屬材料的熱電偶,也就是較低的成本去檢測1000℃以上的高溫。

    目前最普遍的測溫元器件 PT100(正溫度係數,PTC)和 NTC(負 溫度係數)的電阻溫度計廣範圍的應用在工業測溫中,主要適用於 低到中等溫度下進行測量。在高溫領域,一般采用熱電偶進行溫度 測量。按熱電極材料與測溫範圍不同,熱電偶一般有 S、B、E、K、R、J、 T 七種。其中以 K 型熱電偶應用範圍最廣,因為它成本相對便宜,可 測量溫度範圍廣(最高可達 1300℃),S/R/B 型熱電偶最高可測量溫 度更是可以達到 2800℃,但是因為使用的探頭都為貴金屬材料,所 以成本非常高,基本不可能實現大麵積的運用。因此怎樣盡可能的 去降低成本,來實現高溫度段(1000- 2000℃)的溫度測量,對於目前 來說是一個挑戰。以鉑銠貴金屬材料為熱電極的熱電偶有 S 型 /R型 /B 型,榴莲视频下载app免费此方案以 B 型熱電偶為例。如圖 1 所示。

 

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    圖 1 為現有利用 B 型熱電偶測量溫度的方案,測溫區和溫度采集電路之間通過 B 型熱電偶去采集溫度。因熱端和冷端都采用熱電 極材料,冷端溫度就是采集電路上的環境溫度,也就是溫度處理芯 片上的溫度,因此不需要做冷端溫度補償,通過熱端與冷端的電勢 差,就可以直接得到熱端的溫度值。但是因測溫區域溫度很高,即使 隔離後,附近溫度也可達 100℃左右,所以溫度采集電路距離不能 過近,因此,測溫區與溫度采集電路間隔越遠,則使用鉑銠熱電偶的材 料越多,成本也就越高。那麽如何在實際使用過程中讓貴金屬型熱 電偶的成本盡可能的降低呢?在沒有便宜的新材料替代原材料的前 提下,唯有降低原材料的使用量,才能降低成本。基於節省原材料的 目的,在不斷的實驗後,可以用以下方案解決此問題。如圖 2 所示, 此方案最直接的是用一段普通導線代替了大部分的鉑銠熱電偶材料,鉑銠熱電偶的熱電極隻需在測溫區域內引出一小段,這樣可以大大節 省材料成本。但是這樣做會帶來一個問題:因為溫度采集電路測量 的冷端溫度是普通導線的溫度,並不是熱電極冷端的溫度。隨著測 溫區溫度的升高,通過導熱或者熱輻射,B 型熱電偶冷端的溫度必 定會上升,如果直接用采集電路上測量芯片的溫度去計算,必然會 帶來很大的誤差。榴莲视频下载app视频免费知道電偶測溫的基本原理是熱電效應,在由 兩種不同材料的導體 A 和 B 所組成的閉合回路中, 當 A 和 B 的兩 個接點處於不同溫度 T 和 To 時,在回路中就會產生熱電勢:當芯片采集的冷端溫度不是 B 型熱電偶的冷端熱電極溫度時,榴莲视频下载app免费下载必須通 過其它方法將 B 型熱電偶冷端電極的溫度采集下來,通過軟件算法 補償,才能準確的得到測溫區域的溫度。因此榴莲视频下载app免费需要加上一個低成本的測溫元件探測 B 型熱電偶的冷端溫度。

 

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    結合上述內容,榴莲视频下载app免费下载在計算熱端溫度時,需要將其它測溫元件 測得的冷端溫度替代芯片測得的冷端溫度:
    KT 冷端溫度補償係數:

    總結:此方案中,B 型熱電偶放入測溫區後,熱端與冷端存在溫度差,所以產生了電動勢,采集電路獲取此電動勢的大小,並結合冷 端溫度,即可算出需測量的溫度。但是因為圖 2 中 B 型熱電偶的冷 端靠近測溫區,此時的冷端溫度會高於常溫,所以可以采用其它低成本的測溫元件采集冷端的溫度,並反饋給主芯片,主芯片通過將 此溫度替代芯片端檢測的冷端溫度,即可得出測溫區的溫度。此方 法需要保證冷端測溫精確,否則會引起較大的偏差。即冷端的測溫 元件需要緊緊貼合在 B 型熱電偶的冷端上,盡量減少測量誤差。 利用此方法隻需一段很短的鉑銠熱電偶 + 一段低成本的普通導 線 + 低成本的測溫元件即可取代一段很長的鉑銠熱電偶,可大大降低成本。因為測溫區使用的還是鉑銠貴金屬材料,所以對測溫元件的 穩定性和長期可靠性與圖 1 一致,並沒有影響。在測溫區外部因為 溫度並不會太高,所以對低成本的測溫元件要求也不高,使用壽命 也有保證,因此整個係統的可靠性也能得到保證。

    結束語
    隨著現在科學技術的加速發展,新技術的應用範圍越來越廣 泛,對元器件的要求也原來越高。不管是對應用環境、係統的穩定性 能,還是對成本、材料使用方麵都有更高的要求。對於本文來說,熱 電偶工作原理的進步將帶動熱電偶技術的不斷發展。新材料、新方法的出現,將會對熱電偶行業帶來巨大的衝擊,這就要求榴莲视频下载app视频免费的技 術人員在工作中、研究中不斷地學習、創新,為熱電偶這個行業發展不斷貢獻自己的力量。