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(dǎo)體兩端接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn) 熱電偶溫度不同時(shí)，就會(huì)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(shí)，顯示儀表將會(huì)指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動(dòng)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(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。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(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)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(diǎn)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(dá)+2800℃（如鎢- 錸）。
③構(gòu)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(hù)套管，用起來非常方便。

1．熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成

（1）熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

2．熱電偶冷端的溫度補(bǔ)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(shí)），而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)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(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)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(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對測溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：

1 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
2 保護(hù)套管應(yīng)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(gè)熱電極的焊接必須牢固；
4 兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)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(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖2-1-1所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢,因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
熱電阻測溫原理

在工業(yè)應(yīng)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(shí)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(yīng)進(jìn)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?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)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(guān)系式表示，即
Rt=Rt0[1+α（t-t0）]
式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時(shí)對應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。
半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為
Rt=AeB/t
式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)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(yán)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(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。

2、 熱電阻的結(jié)構(gòu)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(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置級(jí)成，安裝固定裝置有固定外螺紋、活動(dòng)法蘭盤、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護(hù)管等形式。鎧裝熱電阻外保護(hù)套管采用不銹鋼，內(nèi)充高密度氧化物絕緣體，具有很強(qiáng)的抗污染性能和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)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(yīng)時(shí)間快、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
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(dòng)設(shè)備上的溫度可以選用帶有防震結(jié)構(gòu)的熱電阻等?！?/span>

3、熱電阻的信號(hào)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(hào)通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)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(huì)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(dǎo)線來引出電阻信號(hào)的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，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(dǎo)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(hào)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(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì)，但并不是都能用作測溫?zé)犭娮?，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(xué)物理性能、材料的復(fù)制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關(guān)系（呈線性關(guān)系）。
目前應(yīng)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(guān)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(hào)分別為Pt10、Pt100、Pt1000；銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100。其中Pt100和 Cu50的應(yīng)用。