各式溫度傳感器的原理及溫度傳感器套管破裂的解決

　　溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。進(jìn)入21世紀(jì)后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。溫度傳感器的總線(xiàn)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、可作為從機(jī)可通過(guò)專(zhuān)用總線(xiàn)接口與主機(jī)進(jìn)行通信。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類(lèi)。

　　溫度傳感器的工作原理

　　溫度傳感器有四種主要類(lèi)型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類(lèi)型。

　　1、熱電偶的工作原理

　　當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體和半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T(mén)，稱(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為T(mén)O，稱(chēng)為自由端（也稱(chēng)參考端）或冷端，則回路中就有電流產(chǎn)生，即回路中存在的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。與塞貝克有關(guān)的效應(yīng)有兩個(gè)：其一，當(dāng)有電流流過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的連接處時(shí)，此處便吸收或放出熱量（取決于電流的方向），稱(chēng)為珀?duì)柼?yīng)；其二，當(dāng)有電流流過(guò)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體吸收或放出熱量（取決于電流相對(duì)于溫度梯度的方向），稱(chēng)為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱(chēng)為熱電偶。熱電偶的熱電勢(shì)EAB（T，T0）是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)合成的。接觸電勢(shì)是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。

　　溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、截面大小、沿其長(zhǎng)度方向的溫度分布無(wú)關(guān)。無(wú)論接觸電勢(shì)或溫差電勢(shì)都是由于集中于接觸處端點(diǎn)的電子數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢(shì)，熱電偶測(cè)量的熱電勢(shì)是二者的合成。當(dāng)回路斷開(kāi)時(shí)，在斷開(kāi)處a，b之間便有一電動(dòng)勢(shì)差△V，其極性和大小與回路中的熱電勢(shì)一致。并規(guī)定在冷端，當(dāng)電流由A流向B時(shí)，稱(chēng)A為正極，B為負(fù)極。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)△V很小時(shí)，△V與△T成正比關(guān)系。定義△V對(duì)△T的微分熱電勢(shì)為熱電勢(shì)率，又稱(chēng)塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)的符號(hào)和大小取決于組成熱電偶的兩種導(dǎo)體的熱電特性和結(jié)點(diǎn)的溫度差。

　　目前，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦了8種類(lèi)型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即為T(mén)型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

　　2、熱電阻的工作原理

　　導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測(cè)量其阻值推算出被測(cè)物體的溫度，利用此原理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器，這種傳感器主要用于-200—500℃溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。 純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應(yīng)具有以下特性： ①電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。

　?、陔娮杪矢撸瑹崛萘啃?，反應(yīng)速度快。

　?、鄄牧系膹?fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低。

　?、茉跍y(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定。

　　目前，在工業(yè)中應(yīng)用最廣的鉑和銅，并已制作成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮?/p>

　　3、紅外溫度傳感器

　　在自然界中，當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在，就會(huì)不斷地向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm 的紅外線(xiàn)，紅外溫度傳感器就是利用這一原理制作而成的。

　　SMTIR9901/02是荷蘭Smartec Company生產(chǎn)的一款現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣的紅外傳感器，它是基于熱電堆的硅基紅外傳感器。大量的熱電偶堆集在底層的硅基上，底層上的高溫接點(diǎn)和低溫接點(diǎn)通過(guò)一層極薄的薄膜隔離它們的熱量，高溫接點(diǎn)上面的黑色吸收層將入射的放射線(xiàn)轉(zhuǎn)化為熱能，由熱電效應(yīng)可知，輸出電壓與放射線(xiàn)是成比例的，通常熱電堆是使用BiSb和NiCr作為熱電偶。此外，SMT9902sil內(nèi)部嵌入以Ni1000溫度傳感器和一小視角的硅濾片，使得測(cè)量溫度更加的準(zhǔn)確。因?yàn)榧t外輻射特性與溫度相關(guān)，可以使用不同的濾鏡來(lái)測(cè)量不同的溫度范圍。成熟的半導(dǎo)體工藝是產(chǎn)品小型化，低成本化。為了滿(mǎn)足某些應(yīng)用，紅外傳感器開(kāi)口視角可以設(shè)計(jì)成小至7°。

　　4、模擬溫度傳感器

　　常見(jiàn)的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。

　　AD590是美國(guó)模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），靈敏度為1μA/℃。當(dāng)在電路中串接采樣電阻R時(shí)，R兩端的電壓可作為輸出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號(hào)傳輸距離可達(dá)到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達(dá)20MΩ，所以它不必考慮選擇開(kāi)關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。

　　5、邏輯輸出型溫度傳感器

　　設(shè)定一個(gè)溫度范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設(shè)備，此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

　　LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓溫度開(kāi)關(guān)，內(nèi)置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶50μA的負(fù)載。電源電壓從2.7~10V，工作電流最大230μA，內(nèi)置傳感器的靈敏度為6.2mV/℃，傳感器輸出電壓為6.2mV/℃&TImes;T+395mV。

　　6、數(shù)字式溫度傳感器

　　它采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，其采用PTAT結(jié)構(gòu)，這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有精確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。PTAT的輸出通過(guò)占空比比較器調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，占空比與溫度的關(guān)系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t為攝氏度。輸出數(shù)字信號(hào)故與微處理器MCU兼容，通過(guò)處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號(hào)的占空比，即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優(yōu)于0.005K。測(cè)量溫度范圍-45到130℃，故廣泛被用于高精度場(chǎng)合。

　　導(dǎo)致溫度傳感器套管破裂的原因和解決方法

　　在不少工程應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)使用中的溫度傳感器套管會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象，這會(huì)影響著生產(chǎn)機(jī)器運(yùn)行的安全，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)發(fā)生事故。通過(guò)對(duì)傳感器套管破裂現(xiàn)象的調(diào)查，查找原因，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致溫度傳感器套管破裂的原因主要有以下幾個(gè)方面：

　?。?）溫度傳感器套管受高速流體沖擊，載負(fù)過(guò)大，應(yīng)力超過(guò)極限，導(dǎo)致套管破裂；

　?。?）溫度傳感器套管本身的加工缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易造成套管斷裂；

　?。?）管道振動(dòng)過(guò)大，造成溫度傳感器套管疲勞損壞；

　　（4）流體流經(jīng)溫度傳感器套管時(shí)，誘發(fā)溫度傳感器套管振動(dòng)，即溫度傳感器套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率產(chǎn)生共振。這種共振現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致溫度傳感器套管損壞速度加快，以致斷裂。

　　綜合以上幾種易導(dǎo)致溫度傳感器套管破裂的情形，我們連同熱控專(zhuān)業(yè)和金屬專(zhuān)業(yè)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)以下幾種方式，可以減少溫度傳感器套管破裂現(xiàn)象的發(fā)生。

　?。?）嚴(yán)格控制傳感器套管的插入深度。隨著插入深度的增加，保護(hù)套管的受力成平方倍的增加。所以，我們測(cè)量溫度的時(shí)候只需將溫度傳感器套管插入到流體的等溫區(qū)，而無(wú)需插到管道的中心點(diǎn)，這樣有利于縮短溫度表袋懸臂的長(zhǎng)度，達(dá)到減小其端點(diǎn)的振幅的效果。

　　（2）在保證必要的傳感器套管強(qiáng)度情況下，優(yōu)化選取溫度傳感器套管的直徑。因?yàn)楫?dāng)溫度傳感器套管的直徑增加時(shí)，表袋受力呈線(xiàn)性增加，所以在選取表袋直徑的時(shí)候，既要合理保證套管的強(qiáng)度，又要盡可能錯(cuò)開(kāi)共振危險(xiǎn)區(qū)。

　?。?）改變橫截面形狀，將其表面加工成結(jié)構(gòu)型式，使流體不產(chǎn)生漩渦脫落現(xiàn)象。

　　（4）嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量，做好傳感器套管材質(zhì)檢查，同時(shí)還要做好探傷檢查，嚴(yán)防焊口裂縫、斷裂等異常事故的發(fā)生。

　　（5）系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，避免發(fā)生管道上閥門(mén)突然全開(kāi)情況。在剛投運(yùn)開(kāi)啟閥門(mén)的瞬間，溫度傳感器套管將承受很大的單向力，因此在系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)，要緩慢地開(kāi)啟閥門(mén)，讓系統(tǒng)壓力逐漸上升，盡可能減小溫度傳感器套管正面和背面的壓力差，避免套管因單向受力過(guò)大而導(dǎo)致套管斷裂事故發(fā)生。

　　任何傳感器在投入使用時(shí)，總會(huì)發(fā)生一些意向不到的情況，我們要理論結(jié)合實(shí)際，針對(duì)發(fā)生的具體情況，提出相應(yīng)的解決辦法。