如何减少热电偶测试误差?

日期:2019-01-09

热电偶可以算是热设计工程师最常用的温度传感器,基本原理是塞贝克效应(Seebeck Effect),也即两种不同材质的均质导体组成闭合回路,且两端存在温度梯度时,回路中会有电流通过,形成电动势(热电动势)。不同金属对组成的热电偶,对应的热电势也不相同,据此制成相应的分度表。我们常用的K型、T型、E型、N型、S型等热电偶就是指具有相应分度表的热电偶。

 

作为温度测试好帮手,热电偶具有一系列优点:

 
1结构简单,制备方便;

2测点体积小,热惯性小,安装便捷;

3热电偶类型繁多,可根据测温范围、应用环境、测温精度等选择;

4可重复使用,价格低廉(贵金属热电偶和特殊热电偶除外)

 
 
 

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但就是这么一种简单的传感器,在实际使用过程中仍会因为各种原因,造成很多错误。本文将工作中积累的一些测试经验,以及自己和朋友遇到的一些常见问题,一起分享给大家。

一、热电偶的有效测温点在哪里?

 
 
 

下面的热电偶的测温端是绞合而成的,那么请问热电偶测试的喷枪温度是偏高,还是偏低,为什么?热电偶的测点位置是否得当?

 

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问的再直白一点:下面这张图中的热电偶,实际测温点是哪个位置?3_meitu_3.jpg

 

好啦!揭示答案:有效测点位置,如下图所示:4_meitu_4.jpg

 

多么可怕的领悟!在测试时尤其要注意,热电偶的实际测点在不在被测对象的位置上!对于上述高温喷枪的影响可能不大,但是如果应用于实际电子产品的测试,会有多大误差?会遗留有多大的风险!请注意热电偶位于ATMEGA芯片的表面。

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为了避免出现上述情况,尽量采用下图所示的典型热电偶焊点形式。由于没有绞线的影响,下图中的热电偶焊点位置就是实际测试位置。还有一点需要注意,热电偶的保温层尽量靠近焊点,以减少热源的热量损失。

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二、热电偶固定方式的影响

热电偶的常用固定方式有:胶带贴覆、焊接固定、胶水固定、螺栓连接等等。前三种安装方式在电子设备的温度测试中最为常用,螺栓连接一般在工业领域应用较多,且传感器多为铠装热电偶。主要介绍前三种:

 

(1)胶带贴覆

 
 
 

如Kapton胶带,铝箔胶带,铜箔胶带,导热胶带(可用于连接器件和散热器的导热胶带)。最大的问题是需要保证热电偶的测点与被测表面之间完美接触。如果热电偶与被测表面之间存在一点空气间隙,则热电偶读取的温度将远低于被测表面的实际温度。另外,使用胶带贴覆来固定热电偶,需要一定的贴覆面积,因此这种方式并不适于小型元器件。一则是因为小型元器件不能提供充足贴覆面积,另一方面,胶带的贴覆对小型元器件的散热状态影响很大,可能引入了一个绝缘层或者热沉。

 
 
 

(2)焊接固定

 
 
 

将热电偶焊接到被测对象的表面,可以获得非常精确的测试数据。主要是由于焊料的热导率较高,且与被测表面之间不存在空气隙。焊接的局限性在于,只适用于某些金属表面,应用范围较窄。

 
 
 

(3)胶水固定

 
 
 

采用胶水固定热电偶可以算是最为方便快捷的方法。再配合解胶剂使用,基本可以做到“收放自如”,想把热电偶粘哪儿就粘哪儿。想解除热电偶,只需涂刷一些解胶剂即可。使用胶水固定热电偶需要注意在热电偶测点与被测表面之间涂抹的胶黏剂尽量少,以减少热阻。常用的热电偶固定胶黏剂一般具有较高的导热系数,多维导热填料强化传热的环氧树脂。这种方式的唯一缺点就是,热导率较高的胶水大都较为昂贵。

 
 
 

三、热电偶自身因素及安装方式的影响

实现精确测温的一个前提是,热电偶尽量少地影响被测对象的散热状态,也即要求从被测对象到热电偶这条路径的传热量尽可能少。

(1)材质和粗细

 
 
 

不同热电偶的材质具有不同的热导率。如T型热电偶材质为铜-康铜(铜镍合金),其中铜材质具有良好的导热性能,相同线规和安装方式下,从该热电偶损失的热量要高于材质导热性能不突出的K型热电偶。

 

不同粗细的热电偶的传热能力也不同,越粗的热电偶导热能力也越强,而且对应的响应时间也越长。一般,在使用寿命允许的前提下,尽量选用较细线径的热电偶,测温更精确且相应速度也更快。

 
 
 

(2)安装方式

 
 
 

这里的安装方式是指热电偶与被测对象是水平布置还是竖直布置的。热电偶安装于被测对象表面,不可避免会影响被测件的温度场,其作用类似于针肋。

 

在其余条件相同的前提下,针肋的散热影响越小,则测温度准确度也越高。He等人[1]通过数值仿真的方式,模拟了水平和竖直布置的热电偶的测点温度。仿真结果发现,水平布置的热电偶由于其针肋散热作用弱于竖直布置的热电偶,具有更好的测试精度。

 
 
 
 


[1] He, Qinghong, S. Smith,and G. Xiong. "Thermocouple attachment using epoxy in electronic systemthermal measurements - A numerical experiment." Semiconductor ThermalMeasurement and Management Symposium IEEE, 2011:280-291.

 
 

 

四、使用环境对测试造成的影响

 
 
 

(1)污染物或气氛:如贵金属热电偶对污染物极为敏感,因此需要有良好的套管(sheath)或绝缘层保护;某些热电偶在氧化气氛或还原气氛下,或发生内部晶型变化,或部分组份发生变化,对测量精度和寿命造成不利影响。

(2)磁场:一定强度的磁场会对含有铁、钴、镍等铁磁性元素的热电偶产生影响。

(3)高温:某些高温区间会对某些型号的热电偶的材质的晶型产生特殊影响,如重结晶现象,导致测试数据不稳定。需要严格遵守热电偶的使用温度范围。

 
 
 

五、提高测试精度的几个方法

 
 
 

假定热电偶已经选定完毕,为了提高测试精度,除了遵循正确的测试规程外,还可以通过两种方式进一步提高测试精度:

 
 

 

(1)多次重复测量,取平均值;

 
 
 

(2)对多对统一规格的热电偶进行合理的串联或并联,然后再对测试对象进行测量。

为啥要将热电偶进行串联或者并联呢?开动脑筋想一想,如果懒得想,那推荐您一本书,中国科学技术大学出版社出版的《量热技术和热物性测定》,由胡芃和陈则韶编著。该书简洁易懂,涵盖了主要的量热技术和热物性测试方法。

好啦,放一张瑞士热分析仪器公司梅特勒-托利多的差示扫描量热仪(DSC)的核心器件--热流传感器。该传感器本质上是由样品侧(S)和参考侧(R)的2个热电堆反向串联而成,而样品侧和参考侧的热电堆则由若干对贵金属热电偶按星型布置正向串联而成。

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热流传感器为DSC仪器的核心技术。上图中DSC传感器为第三代传感器,目前国际上已有采用MEMS工艺的第四代传感器。反观国内相关厂商的DSC传感器技术还是停留在最原始的第一代。可见,即便简简单单的热电偶测温技术,仍然可以衍生出很多高端应用。

 

六、思考

 
 
 

1.测试时将热电偶的分度号搞错,而重新测试又来不及,又或者单纯因为懒不想再测试,如何进行补救?比如,实际采用的热电偶的分度号为T型,但是温度采集仪上设置的分度号却是K型。怎么办?

实属无奈,热电偶的型号繁多,使用稍不注意就会出错!托尼·柯迪班(Tony Kordyban)在其生动诙谐的 ”More Hot Air” 一书中早有提醒。然而,最近一个月内,已经有三位朋友还是遇到了上述问题!

2.如果有两根同一规格(分度号)的热电偶,想测试某两个位置的温度差数据,但是温度采集仪只有一个空闲通道,该如何解决?

 
 
 

本文到此结束!

 

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