K型热电偶在工业市场的应用
时间：2014-01-20 阅读：2293
工业上常用的温度传感器有四类：即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温度传感器；每一类温度传感器有自己*的温度测量范围，有自己适用的温度环境；没有一种温度传感器可以通用于所有的用途：热电偶的可测温度范围zui宽，而热电阻的测量线性度*，热敏电阻的测量精度zui高。表1是四类传感器的各自*的性能特性及相互比较。表2是四类传感器的典型应用领域。
热电偶--通用而经济
热电偶由二根不同的金属线材，将它们一端焊接在一起构成，如图1所示；参考端温度（也称冷补偿端）用来消除铁-铜相联及康铜-铜联接端所贡献的误差；而两种不同金属的焊接端放置于需要测量温度的目标上。
两种材料这样联接后会在未焊接的一端产生一个电压，电压数值是所有联接端温度的函数，热电偶无需电压或电流激励。实际应用时，如果试图提供电压或电流激励反而会将误差引进系统。
鉴于热电偶的电压产生于两种不同线材的开路端，其与外界的接口似乎可通过直接测量两导线之间的电压实现；如果热电偶的的两端头不是联接至另外金属，通常是铜，那末事情真会简单至此。
但热电偶需与另外一种金属联接这一事实，实际上又建立了新的一对热电偶，在系统中引入了极大的误差，消除此误差的*办法是检测参考端的温度（参见图1），以硬件或硬件-软件相结合的方式将这一联接所贡献的误差减掉，纯硬件消除技术由于线性化校正的因素，比软件-硬件相结合技术受限制更大。一般情况下，参考端温度的检测用热电阻RTD，热敏电阻或是集成电路温度传感器进行。原则上说，热电偶可由任意的两种不同金属构建而成，但在实践中，构成热电偶的两种金属组合已经标准化，因为标准组合的线性度及所产生的电压与温度的关系更趋理想。
表3与图2是常用的热电偶E,J,T,K,N,S,BR的特性。
热电偶是一种高度非线性器件，需作大力线性化算法处置。表3的西贝克系数是某种热电偶在规定温度下的平均飘移。
热电偶交货时，其性能由制造商按NIST175标准保证（此标准已被ASTM采纳），标准规定了热电偶的温度特性以及所用原材料的品质。与热电阻RTD，热敏电阻及集成电路硅传感器相比，热电偶的非线性极其严重，因此，在电路部分，必须进行复杂的算法处理，表4所示是复杂算法的一个实例，这是K型热电偶的温度系数，可将其在0度至1372度范围内予以线性化，这些系数应用于以下方程：
式中：V是热电偶两端的电压；
T是温度
另一种这些复杂计算方法的应用是在处理程序中制作一张对照表，这样一张表4所列的K型热电偶的系数计算对照表是一组11X14阵列的十进制数，范围为0.000-13.820;
除此之外，热电偶由于与参考温度之间有一定的函数关系，它能确定温度的数值，（参考温度定义为热电偶导线相对其焊接端的远端端头温度，通常用热电阻RTD，热敏电阻或硅集成电路传感器测定）。
与热电阻RTD，热敏电阻相比，热电偶的热质量较小，因此其响应速度较快。这种温度传感器由于其宽广的温度检测范围，在一些恶劣环境下几乎成为*的选择。
热电偶误差分析
热电偶比较其他温度传感器的成本低，结构强度大，体积小；但材料所受的任何应力，如弯曲，拉伸，压缩均可改变热梯度特性；此外，腐蚀介质可穿透其绝缘外皮，引起其热力学特性的改变，给热电偶加一保护性管壳，如陶瓷管以作高温保护是可行的，金属热阱也可提供机械保护。热电偶电压沿两种不同金属的长度方向上存在电压降，但这并不意味着长度较短的热电偶与长度较大的热电偶相比，肯定会有不同的西贝克系数。
线材长度短，当然会使温度梯度陡峻，但从导电效应来看，线材长度较大的热电偶却有它自己的优点，这时温度梯度是会小些，但导电损失也减小；但从长导线的负面效应来看，长线材热电偶的输出电压小，增加了后续信号调理电路的负担。
除了输出信号小之外，器件的线性度差需要大额度的校准，通常是以硬件与软件实现，如以硬件实现，需要一温度参考用作为冷端参考，如以软件实现，则以对照表或多项式计算以减小热电偶误差。zui后，电磁干扰会耦合进这双线系统；小线规线材可用作高温检测，寿命也会长些，但如果灵敏度成为zui重要因素，则大线规线材的测量性能好些。
总起来讲，热电偶由于可测温度范围大，机械强度高，及价格低，成为温度测量的常选。高精度系统要求的线性度及准确度，要实现并不容易。如果精度要求更高，则应选择其他的温度传感器。
热电阻RTD--热电偶的替代器件
热电阻测温元件的技术在持续不断地改进，温度测量的质量在不断提高，但要真正实现高质量、高精度的温度测量系统，热电阻的器件选择仍然极为重要。热电阻系一电阻性的元件，由金属制成，如铂，镍，铜等，所选金属必须具有可以预测的电阻值随温度变化的特性，其物理性能要易于加工制造，电阻温度系数必须足够大，使其电阻随温度的改变易于准确测量。其他的温度检测器件，如热电偶，并不能让设计人员有一种相当线性的电阻随温度变化特性，而热电阻这种线性度*的电阻温度特性，大大简化了信号处理电路的设计制作。图5所示系热电阻的温度电阻特性，其中又以铂电阻在三种金属中具有zui为、可靠的温度电阻特性。
因此，铂电阻zui适于需要zui高的精度及重复性使用场合，它对环境的敏感度极低，与此相比，铜电阻则易产生腐蚀，长期稳定性差，而镍电阻虽然环境宽容度好，但适用温度范围较窄。
铂电阻的对温度响应的线性度好，化学惰性，容易加工制作直径较细的线材或是厚度小的箔材，铂的电阻率高于其他的热电阻材料，在电阻值相同的情况要求用材少，适于对成本考虑较强，对热响应讲究的场合。
铂电阻的热响应速度影响测量时间，它还取决于电阻的壳体及本身的尺寸情况，元件本身的尺寸小，外壳尺寸也可做得小些，一般地说，铂热电阻的响应速度要比以半导体制作的温度传感器响应快。
热电阻在摄氏零度的电阻数值范围很大，可以由用户规定，如铂电阻的标准电阻为100欧，但也有50,100,200,5001000or2000?等阻值。
大致的要点：
1．温度传感器概述：应用领域，重要性；
2．四种主要的温度传感器类型的横向比较
3．热电偶传感器
4．热电阻传感器
5．热敏电阻传感器
6．集成电路温度传感器以及典型产品举例
7．温度传感器的正确选择及应用