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換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。進入21世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發展。溫度傳感器的總線技術也實現了標準化、可作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，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。

　　溫度傳感器的工作原理

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

　　1、熱電偶的工作原理

　　當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為TO，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，則回路中就有電流產生，即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。這種由于溫度不同而產生電動勢的現象稱為塞貝克效應。與塞貝克有關的效應有兩個：其一，當有電流流過兩個不同導體的連接處時，此處便吸收或放出熱量（取決于電流的方向），稱為珀爾帖效應；其二，當有電流流過存在溫度梯度的導體時，導體吸收或放出熱量（取決于電流相對于溫度梯度的方向），稱為湯姆遜效應。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢EAB（T，T0）是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質及在接觸點的溫度有關。

　　溫差電勢是指同一導體或半導體在溫度不同的兩端產生的電勢，此電勢只與導體或半導體的性質和兩端的溫度有關，而與導體的長度、截面大小、沿其長度方向的溫度分布無關。無論接觸電勢或溫差電勢都是由于集中于接觸處端點的電子數不同而產生的電勢，熱電偶測量的熱電勢是二者的合成。當回路斷開時，在斷開處a，b之間便有一電動勢差△V，其極性和大小與回路中的熱電勢一致。并規定在冷端，當電流由A流向B時，稱A為正極，B為負極。實驗表明，當△V很小時，△V與△T成正比關系。定義△V對△T的微分熱電勢為熱電勢率，又稱塞貝克系數。塞貝克系數的符號和大小取決于組成熱電偶的兩種導體的熱電特性和結點的溫度差。

　　目前，國際電工委員會（IEC）推薦了8種類型的熱電偶作為標準化熱電偶，即為T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

　　導體的電阻值隨溫度變化而改變，通過測量其阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構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℃溫度范圍內的溫度測量。 純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應具有以下特性： ①電阻溫度系數要大而且穩定，電阻值與溫度之間應具有良好的線性關系。

　?、陔娮杪矢?，熱容量小，反應速度快。

　?、鄄牧系膹同F性和工藝性好，價格低。

　?、茉跍y溫范圍內化學物理特性穩定。

　　目前，在工業中應用最廣的鉑和銅，并已制作成標準測溫熱電阻

　　3、紅外溫度傳感器

　　在自然界中，當物體的溫度高于絕對零度時，由于它內部熱運動的存在，就會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，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生產的一款現在市場上應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，底層上的高溫接點和低溫接點通過一層極薄的薄膜隔離它們的熱量，高溫接點上面的黑色吸收層將入射的放射線轉化為熱能，由熱電效應可知，輸出電壓與放射線是成比例的，通常熱電堆是使用BiSb和NiCr作為熱電偶。此外，SMT9902sil內部嵌入以Ni1000溫度傳感器和一小視角的硅濾片，使得測量溫度更加的準確。因為紅外輻射特性與溫度相關，可以使用不同的濾鏡來測量不同的溫度范圍。成熟的半導體工藝是產品小型化，低成本化。為了滿足某些應用，紅外傳感器開口視角可以設計成小至7°。

　　4、模擬溫度傳感器

　　常見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/℃。當在電路中串接采樣電阻R時，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輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。

　　5、邏輯輸出型溫度傳感器

　　設定一個溫度范圍，一旦溫度超出所規定的范圍，則發出報警信號，啟動或關閉風扇、空調、加熱器或其它控制設備，此時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公司生產的高精度低壓溫度開關，內置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶50μA的負載。電源電壓從2.7~10V，工作電流最大230μA，內置傳感器的靈敏度為6.2mV/℃，傳感器輸出電壓為6.2mV/℃×T+395mV。

　　6、數字式溫度傳感器

　　它采用硅工藝生產的數字式溫度傳感器，其采用PTAT結構，這種半導體結構具有精確的，與溫度相關的良好輸出特性。PTAT的輸出通過占空比比較器調制成數字信號，占空比與溫度的關系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t為攝氏度。輸出數字信號故與微處理器MCU兼容，通過處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號的占空比，即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優于0.005K。測量溫度范圍-45到130℃，故廣泛被用于高精度場合。

　　導致溫度傳感器套管破裂的原因和解決方法

　　在不少工程應用中，我們發現使用中的溫度傳感器套管會發生破裂現象，這會影響著生產機器運行的安全，嚴重的時候還會發生事故。通過對傳感器套管破裂現象的調查，查找原因，我們發現導致溫度傳感器套管破裂的原因主要有以下幾個方面：

　?。?）溫度傳感器套管受高速流體沖擊，載負過大，應力超過極限，導致套管破裂；

　?。?）溫度傳感器套管本身的加工缺陷，導致應力集中，容易造成套管斷裂；

　?。?）管道振動過大，造成溫度傳感器套管疲勞損壞；

　?。?）流體流經溫度傳感器套管時，誘發溫度傳感器套管振動，即溫度傳感器套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率產生共振。這種共振現象會導致溫度傳感器套管損壞速度加快，以致斷裂。

　　綜合以上幾種易導致溫度傳感器套管破裂的情形，我們連同熱控專業和金屬專業進行研究，發現通過以下幾種方式，可以減少溫度傳感器套管破裂現象的發生。

　?。?）嚴格控制傳感器套管的插入深度。隨著插入深度的增加，保護套管的受力成平方倍的增加。所以，我們測量溫度的時候只需將溫度傳感器套管插入到流體的等溫區，而無需插到管道的中心點，這樣有利于縮短溫度表袋懸臂的長度，達到減小其端點的振幅的效果。

　?。?）在保證必要的傳感器套管強度情況下，優化選取溫度傳感器套管的直徑。因為當溫度傳感器套管的直徑增加時，表袋受力呈線性增加，所以在選取表袋直徑的時候，既要合理保證套管的強度，又要盡可能錯開共振危險區。

　?。?）改變橫截面形狀，將其表面加工成結構型式，使流體不產生漩渦脫落現象。

　?。?）嚴格控制檢修質量，做好傳感器套管材質檢查，同時還要做好探傷檢查，嚴防焊口裂縫、斷裂等異常事故的發生。

　?。?）系統投運時，避免發生管道上閥門突然全開情況。在剛投運開啟閥門的瞬間，溫度傳感器套管將承受很大的單向力，因此在系統剛投運時，要緩慢地開啟閥門，讓系統壓力逐漸上升，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大而導致套管斷裂事故發生。

　　任何傳感器在投入使用時，總會發生一些意向不到的情況，我們要理論結合實際，針對發生的具體情況，提出相應的解決辦法。