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不同外形结构热电偶的响应时间及应用工况分析

作时间:2016-11-21  来源:  作者:
   

【摘要】 结合笔者的工作经验,对工业过程及科学实验中经常应用的线型、铠装型、表面贴片型和表面贴块型等各种不同外形结构热电偶的响应时间进行测试,对其各自的应用工况进行分析和归纳,总结各类热电偶适合的不同应用和各自的优势及劣势。

1、引言
        热电偶传感器是人们基于塞贝克发现的 “热电效应” 原理而发明的。其具有结构简单、 制造容易和测温范围大等特点。同时因为它良好的测温精度和热惯性小等特点, 被人们广泛应用于各种测温场合。本文将基于几种常见的热电偶类型, 从响应时间和应用场合这两方面做出分析和总结。

2、热电偶的外形结构分类
2.1 线型热电偶
       热电偶本质上就是由一端连接在一起, 另一端打开的合金组成。输出端 (开口端) 的电动势emf是闭合端温度T1的函数。
       在该温度增加时, 电动势emf也随之升高。而线型热电偶, 就基本完全延续了热电偶的基础外形特征, 通常都是裸线, 或用陶瓷护套、 绝缘层进行绝缘, 但始终保持前端测温点外露, 在热电偶中属于结构较为简单的类型。线性热电偶测温原理图

2.2 铠装型热电偶
       铠装热电偶, 有陶瓷铠装热电偶和金属铠装热电偶, 实用中以金属铠装居多。金属铠装热电偶通常都是由半成品的矿物绝缘金属护套加工而成的。金属护套中预制热电偶丝并填充氧化镁粉末。这些金属护套半成品, 由轧制、 拉伸等方式压缩减小至要求的直径, 再对前端的偶丝进行点焊后封装, 后端焊接延长线缆后灌注环氧树脂密封, 即制成了金属铠装热电偶。

2.3 表面贴片型热电偶
       表面贴片式热电偶从结构上区分, 主要可以分为两个部分:
       (1) 传统的裸露型焊点线型热电偶;
       (2) 带粘附效果的柔性贴片或模塑贴片。从其结构即可得知, 表面贴片型的热电偶实为线型热电偶的另一种形式, 其特点在于更易安装。与线型热电偶仅适合放置在介质中测温不同, 表面贴片型热电偶由于其易粘易取的特点, 更适合于测硬质物体的表面温度。也因此更多地应用于各类实验场合。
2.4 表面贴块型热电偶
       表面贴块型热电偶外形多样, 其核心特点是在热电偶的测温端增加一个能够充分贴合物体表面的小贴块。小尺寸的贴块可以减小测温端的热容量, 加快响应速度。比较典型的有螺栓孔热电偶和矩形贴块热电偶。
3、热电偶的响应时间分析
       传感器响应时间常数通常又被俗称为响应时间, 它被用来定义传感器在某些特定条件下对被测物理量变化反应的快慢。
       对于温度传感器而言, 定义在 “流速1米/秒时传感器在水中达到介质温度63.2%的阶跃变化时所需的时间” 为传感器的响应时间。值 63.2% (也称为主时间常数) 是目前国际上最通用也最常用的响应时间界定范围, 本文中的实验使用了63.2%和90%两个标准。并参考了热电阻温度计国际标准IEC60751, 使用近似的装置和方法进行测试。在实验室中能够较为准确测试的基本有三种方式。
3.1 空气中响应时间测试
       图2所示为25 ℃ 室温、 一个标准大气压力环境、 空气流动速度为每秒20m (65') 条件下, 在空气介质中使用不同结构及粗细的热电偶实验得到的时间常数。图2中左侧曲线为裸露端点线性热电偶测量结果, 右侧曲线为非裸露型铠装热电偶测量结果。热电偶空气响应时间测试参考

       由图2, 线型热电偶响应速度较铠装型热电偶而言优势显著。经公司实验室多次试验, 用外露型对焊0.025mm (0.001") 直径热电偶线制成的热电偶的时间常数≈0.003秒。
3.2 水中响应时间测试
       由于实际应用中几乎不使用线型或表面型热电偶直接测试液体温度, 因此水中响应时间测试只针对多应用于液体测温场合的铠装热电偶进行。实验中, 热电偶静置于25 ℃ 的室温下,试验水温90 ℃ , 流速2m/s。铠装探棒快速插入水中约200mm,通过电脑实时记录温升的变化。实验选取不同直径、 不同接点类型的热电偶进行分别比对。测试结果见图3。水中响应时间测试结果曲线图

3.3 表面温度响应时间测试
       表面温度响应时间测试, 只针对表面贴片型和表面贴块型热电偶。
       实验中, 采用公司自产的CL1600-240V试验装置, 设定温度100 ℃ , 表面型热电偶静置于25 ℃ 室温中。实验开始后, 将热电偶迅速贴附于金属高温表面, 观测并记录热电偶的信号输出情况。因该实验设备限制, 需要人手工操作, 精确性逊于空气中及水中响应时间测试。通过测试得出, 表面贴片热电偶升温至90%设定温度值, 需时0.6S; 表面贴块热电偶则需约1.1S左右。

4、不同结构热电偶的应用场合
       工业生产和科学实验中的工况各有不同, 对应用于测温的热电偶也会有多种要求, 不同类型不同结构的三畅热电偶, 只有用在适当的应用环境, 才能发挥其自身优势, 实现快速准确地测温。
4.1 线型热电偶
       直径细, 弯折性极佳的线型热电偶及其他各种结构热电偶的原形, 在使用中也有着多种多样的实际应用。
4.1.1 适宜工况
       实际应用中, 尤其是科学实验中, 对热电偶的直径要求非常高, 通常会采用AWG 40 (直径0.079mm) 的细线热电偶甚至更小的直径。细小的直径配合极佳的弯折性, 能够让线型热电偶成为狭小工况的首选。同时, 极细的线径又减小了热电偶的热容量, 使得其反应速度大大提升。以下是线型热电偶的适宜工况:
       (1) 电子元件或电路板上的狭小空间测温; (2) 环境或空气测温;(3) 狭小的实验装置内部测温 (如线网反应器丝网) 。
4.1.2 不适宜工况
       线型热电偶通常直接将测温焊点裸露, 在快速测温的同时,也导致了其易氧化、 抗干扰性差等特点。测温端无绝缘, 使得线型热电偶在测量水或其他液体时显得捉襟见肘, 浸没时间长了易氧化, 抗干扰性不佳等劣势纷纷暴露。以下是其不适宜的工况: (1) 水及多种液体介质; (2) 带电物体 (微小电压也会产生很大影响) 。
4.2 铠装热电偶
       铠装热电偶外部为圆柱形金属包壳, 裸线热电偶置于内部,再取氧化镁/氧化铝粉末进行致密填充, 使三畅热电偶与铠装外包壳绝缘, 经过封装后, 最终制成了圆柱形铠装热电偶测温而探杆。
4.2.1 适宜工况
       铠装型热电偶可弯曲、 耐压好、 强度高。尤其在配合金属套管一同使用后, 被测介质对铠装探杆磨损和腐蚀等不良影响被减至最小, 大大提升了耐用性和使用寿命。这种形式的热电偶更是广泛应用于电力、 化工等各类工业场合, 成为了工业使用中最普及的测温传感器之一。以下是适宜工况: (1) 工业管道安装, 适宜测各类液体介质; (2) 压力容器安装, 配合重载金属套管承压更高。
4.2.2 不适宜工况
       铠装型热电偶尽管可弯曲, 但结构特性决定了其弯折范围有限, 弯折半径通常仅限于直径的三倍。且其护套相较其他类型热电偶较粗, 狭小空间内安装严重受限。同样基于护套的原因, 铠装型热电偶的热容量大, 升温速度明显较慢。以下是不适宜的工况: (1) 需要弯折的管道或腔室; (2) 狭小空间; (3) 需要快速响应的场合。
4.3 表面贴片式热电偶&表面贴块式热电偶
       此处将两种表面式测温热电偶合并讨论。表面式热电偶作为普通热电偶的一种特殊形式, 其目的非常明确, 即应用于仅需表面测温的物体。工业过程或科学实验中, 经常会有无法直接测量液体或气体温度的情况, 或为条件不允许, 或为测温要求不高。这种时候就适合用表面式的热电偶贴附于管道、 容器或者硬质物体平面上进行测温。其贴片或扎带, 能起到充分固定和将热电偶紧密贴合于被测物体的作用, 在可能的限度内最大提升测温的准确性。
       本文首先简述了线型、 铠装型、 表面贴片和表面贴块型热电偶的结构特点, 接着基于各类不同结构的三畅热电偶进行了响应时间测试, 分析比较了它们各自热响应的能力。最后, 分类别地讨论各种热电偶的特点, 逐一阐述了它们各自适宜和不适宜的应用场合。希望能为自动化测量行业的从业工程师提供一些经验。

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