K型热电偶热端封装响应延迟解决方案

2013-12-29 00:00:00夏文新

科技资讯 2013年11期

摘要：K型热电偶温度传感器在工业航空领域应用广泛。K型热电偶温度传感器的热端直接裸露在被测环境内极易受到外界环境的影响，所以，热电偶的热端也需要封装。但是封装后的K型热电偶的响应时间延迟。该文详细阐述了K型热电偶热端暴露在被测环境内会受到的外界影响从而引起输出误差，封装避免外界影响及可实施方案。

关键词：K型热电偶热端封装响应延迟

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0114-03

K型热电偶温度传感器测温范围为-200 ℃～1300 ℃，它具有测量温度高，灵敏度较高，线性度好，抗氧化能力强，稳定性和均匀性好的优点。因此，K型热电偶温度传感器在工业上应用广泛。然而由于热端极易受到外界环境的干扰，对数据的采集产生不可忽视的影响，从而产生严重失真。因此目前市场上的热电偶传感器的热端实施金属封装，避免了热端直接与外界接触带来的影响。但是，热端的封装由于热能传导会延迟数据采集的响应时间。本文系统阐述热端受到外界的种种影响及其原因，解决封装带来的响应时间的延迟。

1 热电偶温度传感器热端受外界影响

热端直接插入到被测环境中，极易受到外界电场的影响，使热电偶产生不定向失真；另外热端与外界导体接触会产生短路现象；热电偶的劣化也是使传感器失真的重要原因之一。

1.1 外界电场对热电偶的影响

1.1.1 塞贝克效应

1.1.2 电介质的极化

根据电介质中束缚电荷的特征，把电介质的分子分为无极分子和有极分子两类。无极分子的正负点和中心重合，对外产生的合成电场为零。有极分子的正负电荷中心不场合，构成一个电偶极子。但由于许许多多电偶极子杂乱无章地排列，使得合成电偶极矩相抵消。因此，在无外电场的情况下，有极分子和无极分子对外产生的合成电场都为零。

在外电场的作用下，无极分子中的正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，导致正负电荷动心不再重合，形成许多排列方向与外界电场大体一致的电偶极子，它们对瓦产生的电场不再为零。这种电介质中的束缚电荷在外电场作用下发生位移的现象，称为电介质的极化，束缚电荷也称为极化电荷。电介质极化的结果是电介质内部出现许许多多顺着外电场方向排列的电偶极子，这些电偶极子产生的电场讲改变原来的电场分布。这样，电介质对电场的影响课归结为极化电荷产生的附加电场的影响。因此，电介质内的电场强度E可视为自由点和产生的外电场与极化电荷产生的附加电场的叠加，

1.2 热端与外界接触造成的影响

根据热电偶工作原理，当热端与冷端形成电压差时，若热端与外界的导体接触，热端将产生分流误差。国内的一些专家为此做过实验。一根长60 m、直径52 mm、304不锈钢套管和MgO绝缘的K型铠装热电偶，热电偶符合日本工业标准（JIS），将热电偶热端焊于一钢带上，牵引钢带进入钢件加热炉中，经800 ℃预热区至1200 ℃加热区。同时以炉子冷却区引入另一热电偶于加热区相同位置，以便进行比较，二者的指示温度相差约200 ℃，取出热电偶检查，除了套管表面的轻微氧化以外并未损坏。在该实验中，从铠装热电偶的测量端至参考端，炉内的实际温场呈一定梯度分布。如（图2）所示。

1.3 K型热电偶的正常氧化和择优氧化

1.3.1 正常氧化

1.3.2 择优氧化

因此，热端探头直接放于被测环境中，会受到外接电场影，外界导体分流，热端探头氧化等影响，会使传感器的灵敏度大大下降。

为了解决外界环境带来的影响，将K型热电偶热端探头封装。将探头封装在金属内，中间有高温胶隔离，避免探头与金属接触。这样，金属对探头产生静电屏蔽，探头不受外界电场的影响，并且避免探头与外界直接接触，防止分流误差和探头氧化。

2 热电偶热端探头封装后引起的响应延迟及解决办法

2.1 热传导原理

如果使两物体产生热能的交换，两物体必须有热量的差，则组成这一物体的每一分子会从离它极近的分子那里得到热，或者传热给它们。如果两物体具有相同的温度，那么他们之间的相互作用可以看作为零。由点A传递给点B的热量取决于这一时刻的长短，取决于这两个点的有效温度，并且取决于物体的质。目前实验在这一方面已经揭示出一个一般的结果：它在于所有其他环境保持不变，这两个分子中的一个从另一个那里所得到的热量与这两个分子的温差成正比。

因此，封装后的热电偶需要从封转材料那里得到热量，感应温度，这样，会延迟传感器响应时间，从而降低温度传感器的灵敏度。

2.2 减小响应时间的关键因素—— 热传导率

一种典型的热量传递过程是热量通过固体壁面从温度较高的流体传递给另一侧温度较低的流体。传热过程的热流量可以表示为

其中K是传热系数，A是面积，是温差。

热电偶试验中，热端探头接触面积变化很小，与冷端的温差是不变的，而材料的传热系数为传热过程中传递热流量的决定因素。

2.3 封装解决误差问题

封装后的热电偶响应延迟是否很大，会影响其使用价值。我们将封装后的热电偶与标准热电偶用高温胶粘在一起，保证两传感器测同一空间的温度，放在马弗炉腔内，每隔十秒记录一次数据，多次测量取其平均值，分别测量了、、环境用origin软件绘图，如（图3～图5）所示。

试验数据显示，在封装后传感器的响应时间有一定的延迟，是由于被测环境的热量需要通过封装材料传导给热端探头，延迟了感应时间，但是误差能控制在1%～2%之内。

因为热电偶热端探头的封装一般是使用不锈钢或者是铜等金属外壳，金属的热传是电子导热机理，金属中的自由电子之间的相互作用和碰撞是金属导热的主要因素，声子导热一般可以忽略不计，金属热导率达到了几十到几百，很好的将热量传递给热电偶热端探头。

另外，一般封装金属与热电偶热端探头中间有高温胶隔离，高温胶的作用使隔离探头和金属的直接接触。一般来说，高温胶的体积电阻率是十的十四次方欧姆级，有优良的绝缘性，这样，避免了热端受外界电场和分流的影响。

3 结语

（1）K型热电偶温度传感器热端探头直接裸露在被测环境内，容易受到外界电场，外界导体，易氧化等影响。