不同外形結構熱電偶的響應時間及應用工況分析

【摘要】 結合筆者的工作經驗,對工業過程及科學實驗中經常應用的線型、鎧裝型、表面貼片型和表面貼塊型等各種不同外形結構熱電偶的響應時間進行測試,對其各自的應用工況進行分析和歸納,總結各類熱電偶適合的不同應用和各自的優勢及劣勢。

1、引言
        熱電偶傳感器是人們基于塞貝克發現的 “熱電效應” 原理而發明的。其具有結構簡單、 制造容易和測溫范圍大等特點。同時因為它良好的測溫精度和熱慣性小等特點， 被人們廣泛應用于各種測溫場合。本文將基于幾種常見的熱電偶類型， 從響應時間和應用場合這兩方面做出分析和總結。

2、熱電偶的外形結構分類
2.1 線型熱電偶
       熱電偶本質上就是由一端連接在一起， 另一端打開的合金組成。輸出端 （開口端） 的電動勢emf是閉合端溫度T1的函數。
       在該溫度增加時， 電動勢emf也隨之升高。而線型熱電偶， 就基本完全延續了熱電偶的基礎外形特征， 通常都是裸線， 或用陶瓷護套、 絕緣層進行絕緣， 但始終保持前端測溫點外露， 在熱電偶中屬于結構較為簡單的類型。

2.2 鎧裝型熱電偶
       鎧裝熱電偶， 有陶瓷鎧裝熱電偶和金屬鎧裝熱電偶， 實用中以金屬鎧裝居多。金屬鎧裝熱電偶通常都是由半成品的礦物絕緣金屬護套加工而成的。金屬護套中預制熱電偶絲并填充氧化鎂粉末。這些金屬護套半成品， 由軋制、 拉伸等方式壓縮減小至要求的直徑， 再對前端的偶絲進行點焊后封裝， 后端焊接延長線纜后灌注環氧樹脂密封， 即制成了金屬鎧裝熱電偶。

2.3 表面貼片型熱電偶
       表面貼片式熱電偶從結構上區分， 主要可以分為兩個部分：
       （1） 傳統的裸露型焊點線型熱電偶；
       （2） 帶粘附效果的柔性貼片或模塑貼片。從其結構即可得知， 表面貼片型的熱電偶實為線型熱電偶的另一種形式， 其特點在于更易安裝。與線型熱電偶僅適合放置在介質中測溫不同， 表面貼片型熱電偶由于其易粘易取的特點， 更適合于測硬質物體的表面溫度。也因此更多地應用于各類實驗場合。
2.4 表面貼塊型熱電偶
       表面貼塊型熱電偶外形多樣， 其核心特點是在熱電偶的測溫端增加一個能夠充分貼合物體表面的小貼塊。小尺寸的貼塊可以減小測溫端的熱容量， 加快響應速度。比較典型的有螺栓孔熱電偶和矩形貼塊熱電偶。
3、熱電偶的響應時間分析
       傳感器響應時間常數通常又被俗稱為響應時間， 它被用來定義傳感器在某些特定條件下對被測物理量變化反應的快慢。
       對于溫度傳感器而言， 定義在 “流速1米/秒時傳感器在水中達到介質溫度63.2%的階躍變化時所需的時間” 為傳感器的響應時間。值 63.2% （也稱為主時間常數） 是目前國際上最通用也最常用的響應時間界定范圍， 本文中的實驗使用了63.2%和90%兩個標準。并參考了熱電阻溫度計國際標準IEC60751， 使用近似的裝置和方法進行測試。在實驗室中能夠較為準確測試的基本有三種方式。
3.1 空氣中響應時間測試
       圖2所示為25 ℃ 室溫、 一個標準大氣壓力環境、 空氣流動速度為每秒20m （65'） 條件下， 在空氣介質中使用不同結構及粗細的熱電偶實驗得到的時間常數。圖2中左側曲線為裸露端點線性熱電偶測量結果， 右側曲線為非裸露型鎧裝熱電偶測量結果。

       由圖2， 線型熱電偶響應速度較鎧裝型熱電偶而言優勢顯著。經公司實驗室多次試驗， 用外露型對焊0.025mm （0.001"） 直徑熱電偶線制成的熱電偶的時間常數≈0.003秒。
3.2 水中響應時間測試
       由于實際應用中幾乎不使用線型或表面型熱電偶直接測試液體溫度， 因此水中響應時間測試只針對多應用于液體測溫場合的鎧裝熱電偶進行。實驗中， 熱電偶靜置于25 ℃ 的室溫下，試驗水溫90 ℃ ， 流速2m/s。鎧裝探棒快速插入水中約200mm，通過電腦實時記錄溫升的變化。實驗選取不同直徑、 不同接點類型的熱電偶進行分別比對。測試結果見圖3。

3.3 表面溫度響應時間測試
       表面溫度響應時間測試， 只針對表面貼片型和表面貼塊型熱電偶。
       實驗中， 采用公司自產的CL1600-240V試驗裝置， 設定溫度100 ℃ ， 表面型熱電偶靜置于25 ℃ 室溫中。實驗開始后， 將熱電偶迅速貼附于金屬高溫表面， 觀測并記錄熱電偶的信號輸出情況。因該實驗設備限制， 需要人手工操作， 精確性遜于空氣中及水中響應時間測試。通過測試得出， 表面貼片熱電偶升溫至90%設定溫度值， 需時0.6S； 表面貼塊熱電偶則需約1.1S左右。

4、不同結構熱電偶的應用場合
       工業生產和科學實驗中的工況各有不同， 對應用于測溫的熱電偶也會有多種要求， 不同類型不同結構的仕樂克熱電偶， 只有用在適當的應用環境， 才能發揮其自身優勢， 實現快速準確地測溫。
4.1 線型熱電偶
       直徑細， 彎折性極佳的線型熱電偶及其他各種結構熱電偶的原形， 在使用中也有著多種多樣的實際應用。
4.1.1 適宜工況
       實際應用中， 尤其是科學實驗中， 對熱電偶的直徑要求非常高， 通常會采用AWG 40 （直徑0.079mm） 的細線熱電偶甚至更小的直徑。細小的直徑配合極佳的彎折性， 能夠讓線型熱電偶成為狹小工況的首選。同時， 極細的線徑又減小了熱電偶的熱容量， 使得其反應速度大大提升。以下是線型熱電偶的適宜工況：
       （1） 電子元件或電路板上的狹小空間測溫； （2） 環境或空氣測溫；（3） 狹小的實驗裝置內部測溫 （如線網反應器絲網） 。
4.1.2 不適宜工況
       線型熱電偶通常直接將測溫焊點裸露， 在快速測溫的同時，也導致了其易氧化、 抗干擾性差等特點。測溫端無絕緣， 使得線型熱電偶在測量水或其他液體時顯得捉襟見肘， 浸沒時間長了易氧化， 抗干擾性不佳等劣勢紛紛暴露。以下是其不適宜的工況： （1） 水及多種液體介質； （2） 帶電物體 （微小電壓也會產生很大影響） 。
4.2 鎧裝熱電偶
       鎧裝熱電偶外部為圓柱形金屬包殼， 裸線熱電偶置于內部，再取氧化鎂/氧化鋁粉末進行致密填充， 使仕樂克熱電偶與鎧裝外包殼絕緣， 經過封裝后， 最終制成了圓柱形鎧裝熱電偶測溫而探桿。
4.2.1 適宜工況
       鎧裝型熱電偶可彎曲、 耐壓好、 強度高。尤其在配合金屬套管一同使用后， 被測介質對鎧裝探桿磨損和腐蝕等不良影響被減至最小， 大大提升了耐用性和使用壽命。這種形式的熱電偶更是廣泛應用于電力、 化工等各類工業場合， 成為了工業使用中最普及的測溫傳感器之一。以下是適宜工況： （1） 工業管道安裝， 適宜測各類液體介質； （2） 壓力容器安裝， 配合重載金屬套管承壓更高。
4.2.2 不適宜工況
       鎧裝型熱電偶盡管可彎曲， 但結構特性決定了其彎折范圍有限， 彎折半徑通常僅限于直徑的三倍。且其護套相較其他類型熱電偶較粗， 狹小空間內安裝嚴重受限。同樣基于護套的原因， 鎧裝型熱電偶的熱容量大， 升溫速度明顯較慢。以下是不適宜的工況： （1） 需要彎折的管道或腔室； （2） 狹小空間； （3） 需要快速響應的場合。
4.3 表面貼片式熱電偶&表面貼塊式熱電偶
       此處將兩種表面式測溫熱電偶合并討論。表面式熱電偶作為普通熱電偶的一種特殊形式， 其目的非常明確， 即應用于僅需表面測溫的物體。工業過程或科學實驗中， 經常會有無法直接測量液體或氣體溫度的情況， 或為條件不允許， 或為測溫要求不高。這種時候就適合用表面式的熱電偶貼附于管道、 容器或者硬質物體平面上進行測溫。其貼片或扎帶， 能起到充分固定和將熱電偶緊密貼合于被測物體的作用， 在可能的限度內最大提升測溫的準確性。
       本文首先簡述了線型、 鎧裝型、 表面貼片和表面貼塊型熱電偶的結構特點， 接著基于各類不同結構的仕樂克熱電偶進行了響應時間測試， 分析比較了它們各自熱響應的能力。最后， 分類別地討論各種熱電偶的特點， 逐一闡述了它們各自適宜和不適宜的應用場合。希望能為自動化測量行業的從業工程師提供一些經驗。