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控制低成本铂铑型测量热电偶的技巧

来源:上海自動化儀表有限企业自動化儀表廠编辑:上海自動化儀表股份有限企业儀表三廠网址:http://WWW.shybdj6.Net

  浅 析:日前测量高温一般都采用低成本的 K 型镍铬热电偶,但它只能在 700℃以下才能长期稳定的测量,长期在 700℃以上的温度 环境下往往因氧化而导致寿命急剧缩短,当温度上升到 1300℃以上时,则可能在瞬间损坏。如果需要长期稳定的测量 1000℃以上的温度 时,只能采用高成本的 B 型/R 型或 S 型的铂铑贵金属材料的热电偶。因为铂铑热电偶耐氧化性强,高温工作下稳定,所以适合需要长期测量1500℃以下温度范围的环境。但是这种贵金属材料价格很高,基本上很难大范围的运用到的产品中。针对此问题,本文提出了一种解决方 案,尽可能的降低使用铂铑热电偶的材料成本,再配合App算法,则可实现用较少的铂铑贵金属材料的热电偶,也就是较低的成本去检测1000℃以上的高温。

    目前最普遍的测温元器件 PT100(正温度系数,PTC)和 NTC(负 温度系数)的电阻温度计广范围的应用在工业测温中,主要适用于 低到中等温度下进行测量。在高温领域,一般采用热电偶进行温度 测量。按热电极材料与测温范围不同,热电偶一般有 S、B、E、K、R、J、 T 七种。其中以 K 型热电偶应用范围最广,因为它成本相对便宜,可 测量温度范围广(最高可达 1300℃),S/R/B 型热电偶最高可测量温 度更是可以达到 2800℃,但是因为使用的探头都为贵金属材料,所 以成本非常高,基本不可能实现大面积的运用。因此怎样尽可能的 去降低成本,来实现高温度段(1000- 2000℃)的温度测量,对于目前 来说是一个挑战。以铂铑贵金属材料为热电极的热电偶有 S 型 /R型 /B 型,大家此方案以 B 型热电偶为例。如图 1 所示。

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    图 1 为现有利用 B 型热电偶测量温度的方案,测温区和温度采集电路之间通过 B 型热电偶去采集温度。因热端和冷端都采用热电 极材料,冷端温度就是采集电路上的环境温度,也就是温度处理芯 片上的温度,因此不需要做冷端温度补偿,通过热端与冷端的电势 差,就可以直接得到热端的温度值。但是因测温区域温度很高,即使 隔离后,附近温度也可达 100℃左右,所以温度采集电路距离不能 过近,因此,测温区与温度采集电路间隔越远,则使用铂铑热电偶的材 料越多,成本也就越高。那么如何在实际使用过程中让贵金属型热 电偶的成本尽可能的降低呢?在没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。基于节省原材料的 目的,在不断的实验后,可以用以下方案解决此问题。如图 2 所示, 此方案最直接的是用一段普通导线代替了大部分的铂铑热电偶材料,铂铑热电偶的热电极只需在测温区域内引出一小段,这样可以大大节 省材料成本。但是这样做会带来一个问题:因为温度采集电路测量 的冷端温度是普通导线的温度,并不是热电极冷端的温度。随着测 温区温度的升高,通过导热或者热辐射,B 型热电偶冷端的温度必 定会上升,如果直接用采集电路上测量芯片的温度去计算,必然会 带来很大的误差。大家知道电偶测温的基本原理是热电效应,在由 两种不同材料的导体 A 和 B 所组成的闭合回路中, 当 A 和 B 的两 个接点处于不同温度 T 和 To 时,在回路中就会产生热电势:当芯片采集的冷端温度不是 B 型热电偶的冷端热电极温度时,大家必须通 过其它方法将 B 型热电偶冷端电极的温度采集下来,通过App算法 补偿,才能准确的得到测温区域的温度。因此大家需要加上一个低成本的测温元件探测 B 型热电偶的冷端温度。

2.jpg


    结合上述内容,大家在计算热端温度时,需要将其它测温元件 测得的冷端温度替代芯片测得的冷端温度:
    KT 冷端温度补偿系数:

    总结:此方案中,B 型热电偶放入测温区后,热端与冷端存在温度差,所以产生了电动势,采集电路获取此电动势的大小,并结合冷 端温度,即可算出需测量的温度。但是因为图 2 中 B 型热电偶的冷 端靠近测温区,此时的冷端温度会高于常温,所以可以采用其它低成本的测温元件采集冷端的温度,并反馈给主芯片,主芯片通过将 此温度替代芯片端检测的冷端温度,即可得出测温区的温度。此方 法需要保证冷端测温精确,否则会引起较大的偏差。即冷端的测温 元件需要紧紧贴合在 B 型热电偶的冷端上,尽量减少测量误差。 利用此方法只需一段很短的铂铑热电偶 + 一段低成本的普通导 线 + 低成本的测温元件即可取代一段很长的铂铑热电偶,可大大降低成本。因为测温区使用的还是铂铑贵金属材料,所以对测温元件的 稳定性和长期可靠性与图 1 一致,并没有影响。在测温区外部因为 温度并不会太高,所以对低成本的测温元件要求也不高,使用寿命 也有保证,因此整个系统的可靠性也能得到保证。

    结束语
    随着现在科学技术的加速发展,新技术的应用范围越来越广 泛,对元器件的要求也原来越高。不管是对应用环境、系统的稳定性 能,还是对成本、材料使用方面都有更高的要求。对于本文来说,热 电偶工作原理的进步将带动热电偶技术的不断发展。新材料、新方法的出现,将会对热电偶行业带来巨大的冲击,这就要求大家的技 术人员在工作中、研究中不断地学习、创新,为热电偶这个行业发展不断贡献自己的力量。


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