各式温度传感器的原理及温度传感器套管破裂的解决_技术

　　温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。温度传感器的总线技术也实现了标准化、可作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

　　温度传感器的工作原理

　　温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

　　1、热电偶的工作原理

　　当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端（也称参考端）或冷端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量（取决于电流的方向），称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量（取决于电流相对于温度梯度的方向），称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB（T，T0）是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。

　　温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势差△V，其极性和大小与回路中的热电势一致。并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当△V很小时，△V与△T成正比关系。定义△V对△T的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。

　　目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

　　2、热电阻的工作原理

　　导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性： ①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

　　②电阻率高，热容量小，反应速度快。

　　③材料的复现性和工艺性好，价格低。

　　④在测温范围内化学物理特性稳定。

　　目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻

　　3、红外温度传感器

　　在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm 的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。

　　SMTIR9901/02是荷兰Smartec Company生产的一款现在市场上应用比较广的红外传感器，它是基于热电堆的硅基红外传感器。大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量，高温接点上面的黑色吸收层将入射的放射线转化为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线是成比例的，通常热电堆是使用BiSb和NiCr作为热电偶。此外，SMT9902sil内部嵌入以Ni1000温度传感器和一小视角的硅滤片，使得测量温度更加的准确。因为红外辐射特性与温度相关，可以使用不同的滤镜来测量不同的温度范围。成熟的半导体工艺是产品小型化，低成本化。为了满足某些应用，红外传感器开口视角可以设计成小至7°。

　　4、模拟温度传感器

　　常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。

　　AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

　　5、逻辑输出型温度传感器

　　设定一个温度范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

　　LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关，内置1.25V参考电压输出端。最大只能带50μA的负载。电源电压从2.7~10V，工作电流最大230μA，内置传感器的灵敏度为6.2mV/℃，传感器输出电压为6.2mV/℃×T+395mV。

　　6、数字式温度传感器

　　它采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用PTAT结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t为摄氏度。输出数字信号故与微处理器MCU兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于0.005K。测量温度范围-45到130℃，故广泛被用于高精度场合。

　　导致温度传感器套管破裂的原因和解决方法

　　在不少工程应用中，我们发现使用中的温度传感器套管会发生破裂现象，这会影响着生产机器运行的安全，严重的时候还会发生事故。通过对传感器套管破裂现象的调查，查找原因，我们发现导致温度传感器套管破裂的原因主要有以下几个方面：

　　（1）温度传感器套管受高速流体冲击，载负过大，应力超过极限，导致套管破裂；

　　（2）温度传感器套管本身的加工缺陷，导致应力集中，容易造成套管断裂；

　　（3）管道振动过大，造成温度传感器套管疲劳损坏；

　　（4）流体流经温度传感器套管时，诱发温度传感器套管振动，即温度传感器套管固有频率和流体旋涡脱落频率产生共振。这种共振现象会导致温度传感器套管损坏速度加快，以致断裂。

　　综合以上几种易导致温度传感器套管破裂的情形，我们连同热控专业和金属专业进行研究，发现通过以下几种方式，可以减少温度传感器套管破裂现象的发生。

　　（1）严格控制传感器套管的插入深度。随着插入深度的增加，保护套管的受力成平方倍的增加。所以，我们测量温度的时候只需将温度传感器套管插入到流体的等温区，而无需插到管道的中心点，这样有利于缩短温度表袋悬臂的长度，达到减小其端点的振幅的效果。

　　（2）在保证必要的传感器套管强度情况下，优化选取温度传感器套管的直径。因为当温度传感器套管的直径增加时，表袋受力呈线性增加，所以在选取表袋直径的时候，既要合理保证套管的强度，又要尽可能错开共振危险区。

　　（3）改变横截面形状，将其表面加工成结构型式，使流体不产生漩涡脱落现象。

　　（4）严格控制检修质量，做好传感器套管材质检查，同时还要做好探伤检查，严防焊口裂缝、断裂等异常事故的发生。

　　（5）系统投运时，避免发生管道上阀门突然全开情况。在刚投运开启阀门的瞬间，温度传感器套管将承受很大的单向力，因此在系统刚投运时，要缓慢地开启阀门，让系统压力逐渐上升，尽可能减小温度传感器套管正面和背面的压力差，避免套管因单向受力过大而导致套管断裂事故发生。