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控制低成本鉑銠型測量熱電偶的技巧淺 析:日前測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℃以下才能長期穩(wěn)定的測量,長期在 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。如果需要長期穩(wěn)定的測量 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,所以適合需要長期測量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。針對此問題,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1000℃以上的高溫。 目前最普遍的測溫元器件 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)測溫中,主要適用于 低到中等溫度下進(jìn)行測量。在高溫領(lǐng)域,一般采用熱電偶進(jìn)行溫度 測量。按熱電極材料與測溫范圍不同,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Ρ阋耍?測量溫度范圍廣(最高可達(dá) 1300℃),S/R/B 型熱電偶最高可測量溫 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,來實(shí)現(xiàn)高溫度段(1000- 2000℃)的溫度測量,對于目前 來說是一個(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 型熱電偶測量溫度的方案,測溫區(qū)和溫度采集電路之間通過 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,通過熱端與冷端的電勢 差,就可以直接得到熱端的溫度值。但是因測溫區(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 過近,因此,測溫區(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)際使用過程中讓貴金屬型熱 電偶的成本盡可能的降低呢?在沒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。但是這樣做會帶來一個(gè)問題:因?yàn)闇囟炔杉娐窚y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 溫區(qū)溫度的升高,通過導(dǎo)熱或者熱輻射,B 型熱電偶冷端的溫度必 定會上升,如果直接用采集電路上測量芯片的溫度去計(jì)算,必然會 帶來很大的誤差。我們知道電偶測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),在回路中就會產(chǎn)生熱電勢: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 過其它方法將 B 型熱電偶冷端電極的溫度采集下來,通過軟件算法 補(bǔ)償,才能準(zhǔn)確的得到測溫區(qū)域的溫度。因此我們需要加上一個(gè)低成本的測溫元件探測 B 型熱電偶的冷端溫度。
總結(jié):此方案中,B 型熱電偶放入測溫區(qū)后,熱端與冷端存在溫度差,所以產(chǎn)生了電動勢,采集電路獲取此電動勢的大小,并結(jié)合冷 端溫度,即可算出需測量的溫度。但是因?yàn)閳D 2 中 B 型熱電偶的冷 端靠近測溫區(qū),此時(shí)的冷端溫度會高于常溫,所以可以采用其它低成本的測溫元件采集冷端的溫度,并反饋給主芯片,主芯片通過將 此溫度替代芯片端檢測的冷端溫度,即可得出測溫區(qū)的溫度。此方 法需要保證冷端測溫精確,否則會引起較大的偏差。即冷端的測溫 元件需要緊緊貼合在 B 型熱電偶的冷端上,盡量減少測量誤差。 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 + 低成本的測溫元件即可取代一段很長的鉑銠熱電偶,可大大降低成本。因?yàn)闇y溫區(qū)使用的還是鉑銠貴金屬材料,所以對測溫元件的 穩(wěn)定性和長期可靠性與圖 1 一致,并沒有影響。在測溫區(qū)外部因?yàn)?溫度并不會太高,所以對低成本的測溫元件要求也不高,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 |