温控知识分享之——热电偶传感器

什么叫热电偶

热电偶是一种将温度转化为电信号的传感器，就像一个能“感知”温度的温度计。它广泛应用于工业、科学研究和日常生活，帮助我们测量各种环境和物体的温度。

热电偶的测温原理

热电偶的测温原理是基于“塞贝克效应”的原理。简单来说，当测量接点和参考接点之间存在温差时，由于两种金属的热电势不同，在导线中就会产生电流，这个电流的大小与温差成正比。通过测量电流的大小，就可以推算出测量接点的温度。

测量端：由两种不同金属材料的导线连接而成，直接接触被测物体。

自由端（冷端）：连接在已知温度（通常是0℃）的环境中。

热电偶的结构

构成最基本的热电偶除了必须的两根热电极（即正负极偶丝）外，通常由测温元件、保护套管管、绝缘物质和接线装置等主要部分组成。

热电极

Ø热电偶常以热电极的材料种类来命名。

Ø热电极的直径：0.35-0.65mm（贵重金属）0.5-3.2mm（普通金属）。

Ø热电偶长度350-2000mm，部分达3500mm。

绝缘物质

Ø防止两根热电极之间短路，采用陶瓷、石英等材料。一般做成圆形或椭圆形，中间有孔，装入电极。

保护套管

Ø电极套在绝缘套管后装入保护管，隔离电极与被测介质，避免电极受到介质侵蚀与损伤，保护管材料：黄铜、钢等传热材料。

固定装置

Ø热电偶的固定装置主要用于将热电偶固定在被测物体上，并确保热电偶能够准确地测量温度。

接线装置

Ø连接电极和测量仪表，多用铝合金制成。

热 电 偶 结 构 示 意 图
 

热电偶的种类和应用

热电偶根据使用的金属材料不同，可以分为多种类型，常用的有以下几种

热电偶在各种领域都得到了广泛的应用，例如：

工业生产：用于测量炉膛温度、液体温度、气体温度等。

科学研究：用于测量各种材料的热性能。

日常生活：用于测量人体温度、食品温度等。

影响热电偶测温的主要因素

热电偶本身的因素：

热电偶材料类型——不同的热电偶材料具有不同的热电势，因此对同一温度的测量结果也会有所不同。根据使用环境进行热电偶的选型。常见热电偶类型有K型、S型、N型、R型等，其测量范围和精度也不同。

热电偶老化——长时间使用会导致热电偶老化，其热电势会发生变化，影响测量精度。

环境因素：

环境温度——热电偶的测量结果会受到环境温度的影响。如果环境温度过高或过低，都会导致测量误差。尤其是冷端的温度

热辐射——热辐射会对热电偶产生影响，尤其是高温环境下。需要采取措施避免或减小热辐射的影响。

气流—— 气流会对热电偶的测量结果产生影响，尤其是高速气流。需要采取措施避免或减小气流的影响。

测量电路因素：

测量仪器的精度——测量仪器的精度会影响热电偶的测量精度。选择精度高的测量仪器可以提高测量精度。

测量电路噪声——测量电路噪声会影响热电偶的测量精度。需要采取措施降低测量电路噪声，尤其在高温的环境下，本身材料性能会下降。

补偿导线——补偿导线用于连接热电偶和测量仪器，其热电势也会影响测量结果。因此补偿导线最好与热电偶类型相匹配，不会对热电动势产生影响。
 

常见热电偶异常分析

热电偶在光伏行业设备使用过程中，常见的异常可以分为以下几种类型

热电偶断偶

污染所导致的断裂——Si\P\S\C\H2等可导致脆断或低熔点共晶化合物

热胀冷缩导致的断裂——组成热电偶的整个结构中，绝缘物质与热电极的热膨胀系数不一致

优化方案

a) 选择孔径大，内壁光滑的刚玉芯

b) 去除应力和杂质

热电偶数值跳动

高温产生的跳动——热电偶长期处于高温环境中，导致材料特性发生改变，导致热电势发生漂移。

干扰产生的跳动——加热功率变化产生的电磁干扰以及静电干扰，导致测量值波动

优化方案

a) 选用抗干扰能力更强的热电偶

b) 增加屏蔽材料进行抗干扰设计

c) 通过程序滤波进行优化

热电偶套管析晶

高温环境——石英材料在高温下长时间使用，会更容易析晶。温度越高，析晶的速度越快。长时间在高温环境下使用会加速石英材料的析晶过程。

杂质污染——石英材料的纯度会影响其析晶程度。高纯度的石英材料，杂质含量低，不容易析晶。而低纯度的石英材料，杂质含量高，容易在高温环境下析晶。石英套管在使用过程中，可能会接触到金属、油脂等污染物。污染物会加速石英材料的析晶过程。

优化方案

a) 使用纯度更高的石英材料，降低析晶风险

b) 避免高温差的波动，尤其是降温至300℃以下。

c) 减少热电偶丝的杂质引入，尤其是碱金属元素的影响