熱電偶測溫原理

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件,是由兩種不同成分的導體兩端接合成回路時，當兩接合點 熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時，顯示儀表將會指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應的溫度值。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關，與熱電極的長度、直徑無關。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表,記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。

其優(yōu)點是：

①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50"+1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶zui低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），zui高可達+2800℃（如鎢- 錸）。
③構造簡單，使用方便。

熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

1．熱電偶的種類及結(jié)構形成

（1）熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶 我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC標準生產(chǎn)，并S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。

2．熱電偶冷端的溫度補償

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴 金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

（3）熱電偶的結(jié)構形式

為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構要求如下：

1 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
2 保護套管應能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
3 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；
4 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；

3．熱電偶測溫基本原理

將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，如圖2-1-1所示。當導體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。
熱電阻測溫原理

在工業(yè)應用中，熱電偶一般適用于測量500℃以上的較高溫度。對于500℃以下的中、低溫度，熱電偶的輸出的熱電勢很小，這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高，否則難以實現(xiàn)測量；而且，在較低溫區(qū)域，冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。所以測量中、低溫度一般使用熱電阻溫度測量儀表較為合適。

1、 熱電阻的測溫原理
與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。
金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示，即
Rt=Rt0[1+α（t-t0）]
式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時對應電阻值；α為溫度系數(shù)。
半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為
Rt=AeB/t
式中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導體材料的結(jié)構的常數(shù)。
相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內(nèi)的溫度測量，其特點是測量準確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應用極其廣泛。

2、 熱電阻的結(jié)構形式
和熱電偶溫度傳感器相類似，工業(yè)上常用的熱電阻主要有普通裝配式熱電阻和鎧裝熱電阻兩種型式。
普通通裝配式熱電阻是由感溫體、有銹鋼外保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置級成，安裝固定裝置有固定外螺紋、活動法蘭盤、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護管等形式。鎧裝熱電阻外保護套管采用不銹鋼，內(nèi)充高密度氧化物絕緣體，具有很強的抗污染性能和優(yōu)良的機械強度。與前者相比，鎧裝熱電阻具有直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應時間快、使用壽命長的優(yōu)點。
對于一些特殊的測溫場合，還可以選用一些專業(yè)型熱電阻，如，測量固體表面溫度可以選用端面熱電阻，在易燃易爆場合可以選用防爆型熱電阻，測量震動設備上的溫度可以選用帶有防震結(jié)構的熱電阻等?！?/span>

3、熱電阻的信號連接方式
熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響。
目前熱電阻的引線主要有三種方式
○1二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質(zhì)和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合
○2三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的zui常用的引線電阻。
○3 四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見這種引線方式可*消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。

4、 工業(yè)上常用金屬熱電阻
從電阻隨溫度的變化來看，大部分金屬導體都有這個性質(zhì)，但并不是都能用作測溫熱電阻，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大（在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸）、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學物理性能、材料的復制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關系（呈線性關系）。
目前應用zui廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越??；銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關系，溫度線數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì)，超過150易被氧化。中國zui常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種，它們的分度號分別為Pt10、Pt100、Pt1000；銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號為Cu50和Cu100。其中Pt100和 Cu50的應用。