熱電偶可以算是熱設(shè)計(jì)工程師最常用的溫度傳感器，基本原理是塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect），也即兩種不同材質(zhì)的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，且兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中會(huì)有電流通過，形成電動(dòng)勢（熱電動(dòng)勢）。不同金屬對組成的熱電偶，對應(yīng)的熱電勢也不相同，據(jù)此制成相應(yīng)的分度表。我們常用的K型、T型、E型、N型、S型等熱電偶就是指具有相應(yīng)分度表的熱電偶。

作為溫度測試好幫手，熱電偶具有一系列優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單，制備方便；

測點(diǎn)體積小，熱慣性小，安裝便捷；

熱電偶類型繁多，可根據(jù)測溫范圍、應(yīng)用環(huán)境、測溫精度等選擇；

可重復(fù)使用，價(jià)格低廉（貴金屬熱電偶和特殊熱電偶除外）。

熱電偶的測溫端稱為工作端或“熱端”（T1），自由端也稱為“冷端”，與二次儀表連接（如下圖所示），冷端應(yīng)處于某個(gè)恒定溫度T0下。

但就是這么一種簡單的傳感器，在實(shí)際使用過程中仍會(huì)因?yàn)楦鞣N原因，造成很多錯(cuò)誤。本文將工作中積累的一些測試經(jīng)驗(yàn)，以及自己和朋友遇到的一些常見問題，一起分享給大家。

一、熱電偶的有效測溫點(diǎn)在哪里?

下面的熱電偶的測溫端是絞合而成的，那么請問熱電偶測試的噴槍溫度是偏高，還是偏低，為什么?熱電偶的測點(diǎn)位置是否得當(dāng)?

問的再直白一點(diǎn)：下面這張圖中的熱電偶，實(shí)際測溫點(diǎn)是哪個(gè)位置?

好啦!揭示答案：有效測點(diǎn)位置，如下圖所示：

多么可怕的領(lǐng)悟!在測試時(shí)尤其要注意，熱電偶的實(shí)際測點(diǎn)在不在被測對象的位置上!對于上述高溫噴槍的影響可能不大，但是如果應(yīng)用于實(shí)際電子產(chǎn)品的測試，會(huì)有多大誤差?會(huì)遺留有多大的風(fēng)險(xiǎn)!請注意熱電偶位于ATMEGA芯片的表面。

為了避免出現(xiàn)上述情況，盡量采用下圖所示的典型熱電偶焊點(diǎn)形式。由于沒有絞線的影響，下圖中的熱電偶焊點(diǎn)位置就是實(shí)際測試位置。還有一點(diǎn)需要注意，熱電偶的保溫層盡量靠近焊點(diǎn)，以減少熱源的熱量損失。

二、熱電偶固定方式的影響

熱電偶的常用固定方式有：膠帶貼覆、焊接固定、膠水固定、螺栓連接等等。前三種安裝方式在電子設(shè)備的溫度測試中最為常用，螺栓連接一般在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多，且傳感器多為鎧裝熱電偶。主要介紹前三種：

(1)膠帶貼覆

如Kapton膠帶，鋁箔膠帶，銅箔膠帶，導(dǎo)熱膠帶(可用于連接器件和散熱器的導(dǎo)熱膠帶)。最大的問題是需要保證熱電偶的測點(diǎn)與被測表面之間完美接觸。如果熱電偶與被測表面之間存在一點(diǎn)空氣間隙，則熱電偶讀取的溫度將遠(yuǎn)低于被測表面的實(shí)際溫度。另外，使用膠帶貼覆來固定熱電偶，需要一定的貼覆面積，因此這種方式并不適于小型元器件。一則是因?yàn)樾⌒驮骷荒芴峁┏渥阗N覆面積，另一方面，膠帶的貼覆對小型元器件的散熱狀態(tài)影響很大，可能引入了一個(gè)絕緣層或者熱沉。

(2)焊接固定

將熱電偶焊接到被測對象的表面，可以獲得非常精確的測試數(shù)據(jù)。主要是由于焊料的熱導(dǎo)率較高，且與被測表面之間不存在空氣隙。焊接的局限性在于，只適用于某些金屬表面，應(yīng)用范圍較窄。

(3)膠水固定

采用膠水固定熱電偶可以算是最為方便快捷的方法。再配合解膠劑使用，基本可以做到“收放自如”，想把熱電偶粘哪兒就粘哪兒。想解除熱電偶，只需涂刷一些解膠劑即可。使用膠水固定熱電偶需要注意在熱電偶測點(diǎn)與被測表面之間涂抹的膠黏劑盡量少，以減少熱阻。常用的熱電偶固定膠黏劑一般具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，多維導(dǎo)熱填料強(qiáng)化傳熱的環(huán)氧樹脂。這種方式的唯一缺點(diǎn)就是，熱導(dǎo)率較高的膠水大都較為昂貴。

三、熱電偶自身因素及安裝方式的影響

實(shí)現(xiàn)精確測溫的一個(gè)前提是，熱電偶盡量少地影響被測對象的散熱狀態(tài)，也即要求從被測對象到熱電偶這條路徑的傳熱量盡可能少。

(1)材質(zhì)和粗細(xì)

不同熱電偶的材質(zhì)具有不同的熱導(dǎo)率。如T型熱電偶材質(zhì)為銅-康銅(銅鎳合金)，其中銅材質(zhì)具有良好的導(dǎo)熱性能，相同線規(guī)和安裝方式下，從該熱電偶損失的熱量要高于材質(zhì)導(dǎo)熱性能不突出的K型熱電偶。

不同粗細(xì)的熱電偶的傳熱能力也不同，越粗的熱電偶導(dǎo)熱能力也越強(qiáng)，而且對應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間也越長。一般，在使用壽命允許的前提下，盡量選用較細(xì)線徑的熱電偶，測溫更精確且相應(yīng)速度也更快。

(2)安裝方式

這里的安裝方式是指熱電偶與被測對象是水平布置還是豎直布置的。熱電偶安裝于被測對象表面，不可避免會(huì)影響被測件的溫度場，其作用類似于針肋。

在其余條件相同的前提下，針肋的散熱影響越小，則測溫度準(zhǔn)確度也越高。He等人[1]通過數(shù)值仿真的方式，模擬了水平和豎直布置的熱電偶的測點(diǎn)溫度。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水平布置的熱電偶由于其針肋散熱作用弱于豎直布置的熱電偶，具有更好的測試精度。

四、使用環(huán)境對測試造成的影響

(1)污染物或氣氛：如貴金屬熱電偶對污染物極為敏感，因此需要有良好的套管(sheath)或絕緣層保護(hù);某些熱電偶在氧化氣氛或還原氣氛下，或發(fā)生內(nèi)部晶型變化，或部分組份發(fā)生變化，對測量精度和壽命造成不利影響。

(2)磁場：一定強(qiáng)度的磁場會(huì)對含有鐵、鈷、鎳等鐵磁性元素的熱電偶產(chǎn)生影響。

(3)高溫：某些高溫區(qū)間會(huì)對某些型號(hào)的熱電偶的材質(zhì)的晶型產(chǎn)生特殊影響，如重結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。需要嚴(yán)格遵守?zé)犭娕嫉氖褂脺囟确秶?/span>

五、提高測試精度的幾個(gè)方法

假定熱電偶已經(jīng)選定完畢，為了提高測試精度，除了遵循正確的測試規(guī)程外，還可以通過兩種方式進(jìn)一步提高測試精度：

(1)多次重復(fù)測量，取平均值;

(2)對多對統(tǒng)一規(guī)格的熱電偶進(jìn)行合理的串聯(lián)或并聯(lián)，然后再對測試對象進(jìn)行測量。

為啥要將熱電偶進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)呢?開動(dòng)腦筋想一想，如果懶得想，那推薦您一本書，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社出版的《量熱技術(shù)和熱物性測定》，由胡芃和陳則韶編著。該書簡潔易懂，涵蓋了主要的量熱技術(shù)和熱物性測試方法。

好啦，放一張瑞士熱分析儀器公司梅特勒-托利多的差示掃描量熱儀(DSC)的核心器件--熱流傳感器。該傳感器本質(zhì)上是由樣品側(cè)(S)和參考側(cè)(R)的2個(gè)熱電堆反向串聯(lián)而成，而樣品側(cè)和參考側(cè)的熱電堆則由若干對貴金屬熱電偶按星型布置正向串聯(lián)而成。

熱流傳感器為DSC儀器的核心技術(shù)。上圖中DSC傳感器為第三代傳感器，目前國際上已有采用MEMS工藝的第四代傳感器。反觀國內(nèi)相關(guān)廠商的DSC傳感器技術(shù)還是停留在最原始的第一代?？梢?，即便簡簡單單的熱電偶測溫技術(shù)，仍然可以衍生出很多高端應(yīng)用。

本文作者：空博者也，轉(zhuǎn)載文章的版權(quán)歸原作者或者原公眾號(hào)所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除，謝謝。

標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評(píng)論: