控制低成本鉑銠型測(cè)量熱電偶的技巧

  淺 析：日前測(cè)量高溫一般都采用低成本的 K 型鎳鉻熱電偶，但它只能在 700℃以下才能長(zhǎng)期穩(wěn)定的測(cè)量，長(zhǎng)期在 700℃以上的溫度 環(huán)境下往往因氧化而導(dǎo)致壽命急劇縮短，當(dāng)溫度上升到 1300℃以上時(shí)，則可能在瞬間損壞。如果需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的測(cè)量 1000℃以上的溫度 時(shí)，只能采用高成本的 B 型/R 型或 S 型的鉑銠貴金屬材料的熱電偶。因?yàn)殂K銠熱電偶耐氧化性強(qiáng)，高溫工作下穩(wěn)定，所以適合需要長(zhǎng)期測(cè)量1500℃以下溫度范圍的環(huán)境。但是這種貴金屬材料價(jià)格很高，基本上很難大范圍的運(yùn)用到的產(chǎn)品中。針對(duì)此問(wèn)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(shí)現(xiàn)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(cè)1000℃以上的高溫。

    目前最普遍的測(cè)溫元器件 PT100（正溫度系數(shù)，PTC）和 NTC（負(fù) 溫度系數(shù)）的電阻溫度計(jì)廣范圍的應(yīng)用在工業(yè)測(cè)溫中，主要適用于 低到中等溫度下進(jìn)行測(cè)量。在高溫領(lǐng)域，一般采用熱電偶進(jìn)行溫度 測(cè)量。按熱電極材料與測(cè)溫范圍不同，熱電偶一般有 S、B、E、K、R、J、 T 七種。其中以 K 型熱電偶應(yīng)用范圍最廣，因?yàn)樗杀鞠鄬?duì)便宜，可 測(cè)量溫度范圍廣（最高可達(dá) 1300℃），S/R/B 型熱電偶最高可測(cè)量溫 度更是可以達(dá)到 2800℃，但是因?yàn)槭褂玫奶筋^都為貴金屬材料，所 以成本非常高，基本不可能實(shí)現(xiàn)大面積的運(yùn)用。因此怎樣盡可能的 去降低成本，來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫度段（1000- 2000℃）的溫度測(cè)量，對(duì)于目前 來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。以鉑銠貴金屬材料為熱電極的熱電偶有 S 型 /R型 /B 型，我們此方案以 B 型熱電偶為例。如圖 1 所示。

    圖 1 為現(xiàn)有利用 B 型熱電偶測(cè)量溫度的方案，測(cè)溫區(qū)和溫度采集電路之間通過(guò) 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(huán)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(bǔ)償，通過(guò)熱端與冷端的電勢(shì) 差，就可以直接得到熱端的溫度值。但是因測(cè)溫區(qū)域溫度很高，即使 隔離后，附近溫度也可達(dá) 100℃左右，所以溫度采集電路距離不能 過(guò)近，因此，測(cè)溫區(qū)與溫度采集電路間隔越遠(yuǎn)，則使用鉑銠熱電偶的材 料越多，成本也就越高。那么如何在實(shí)際使用過(guò)程中讓貴金屬型熱 電偶的成本盡可能的降低呢？在沒(méi)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?；诠?jié)省原材料的 目的，在不斷的實(shí)驗(yàn)后，可以用以下方案解決此問(wèn)題。如圖 2 所示， 此方案最直接的是用一段普通導(dǎo)線代替了大部分的鉑銠熱電偶材料，鉑銠熱電偶的熱電極只需在測(cè)溫區(qū)域內(nèi)引出一小段，這樣可以大大節(jié) 省材料成本。但是這樣做會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：因?yàn)闇囟炔杉娐窚y(cè)量 的冷端溫度是普通導(dǎo)線的溫度，并不是熱電極冷端的溫度。隨著測(cè) 溫區(qū)溫度的升高，通過(guò)導(dǎo)熱或者熱輻射，B 型熱電偶冷端的溫度必 定會(huì)上升，如果直接用采集電路上測(cè)量芯片的溫度去計(jì)算，必然會(huì) 帶來(lái)很大的誤差。我們知道電偶測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)，在由 兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 所組成的閉合回路中, 當(dāng) A 和 B 的兩 個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度 T 和 To 時(shí),在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì):當(dāng)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(shí)，我們必須通 過(guò)其它方法將 B 型熱電偶冷端電極的溫度采集下來(lái)，通過(guò)軟件算法 補(bǔ)償，才能準(zhǔn)確的得到測(cè)溫區(qū)域的溫度。因此我們需要加上一個(gè)低成本的測(cè)溫元件探測(cè) B 型熱電偶的冷端溫度。

    結(jié)合上述內(nèi)容，我們?cè)谟?jì)算熱端溫度時(shí)，需要將其它測(cè)溫元件 測(cè)得的冷端溫度替代芯片測(cè)得的冷端溫度：
    KT 冷端溫度補(bǔ)償系數(shù):

    總結(jié)：此方案中，B 型熱電偶放入測(cè)溫區(qū)后，熱端與冷端存在溫度差，所以產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，采集電路獲取此電動(dòng)勢(shì)的大小，并結(jié)合冷 端溫度，即可算出需測(cè)量的溫度。但是因?yàn)閳D 2 中 B 型熱電偶的冷 端靠近測(cè)溫區(qū)，此時(shí)的冷端溫度會(huì)高于常溫，所以可以采用其它低成本的測(cè)溫元件采集冷端的溫度，并反饋給主芯片，主芯片通過(guò)將 此溫度替代芯片端檢測(cè)的冷端溫度，即可得出測(cè)溫區(qū)的溫度。此方 法需要保證冷端測(cè)溫精確，否則會(huì)引起較大的偏差。即冷端的測(cè)溫 元件需要緊緊貼合在 B 型熱電偶的冷端上，盡量減少測(cè)量誤差。 利用此方法只需一段很短的鉑銠熱電偶 + 一段低成本的普通導(dǎo) 線 + 低成本的測(cè)溫元件即可取代一段很長(zhǎng)的鉑銠熱電偶，可大大降低成本。因?yàn)闇y(cè)溫區(qū)使用的還是鉑銠貴金屬材料，所以對(duì)測(cè)溫元件的 穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性與圖 1 一致，并沒(méi)有影響。在測(cè)溫區(qū)外部因?yàn)?溫度并不會(huì)太高，所以對(duì)低成本的測(cè)溫元件要求也不高，使用壽命 也有保證，因此整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也能得到保證。

    結(jié)束語(yǔ)
    隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的加速發(fā)展，新技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣 泛，對(duì)元器件的要求也原來(lái)越高。不管是對(duì)應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)的穩(wěn)定性 能，還是對(duì)成本、材料使用方面都有更高的要求。對(duì)于本文來(lái)說(shuō)，熱 電偶工作原理的進(jìn)步將帶動(dòng)熱電偶技術(shù)的不斷發(fā)展。新材料、新方法的出現(xiàn)，將會(huì)對(duì)熱電偶行業(yè)帶來(lái)巨大的沖擊，這就要求我們的技 術(shù)人員在工作中、研究中不斷地學(xué)習(xí)、創(chuàng)新，為熱電偶這個(gè)行業(yè)發(fā)展不斷貢獻(xiàn)自己的力量。