熱電偶/測溫電阻體的測溫原理

PT100熱阻/熱電偶、雙金屬溫度計

熱電偶的測溫原理

熱電偶是溫度測量儀常用的測溫元件，從兩種不同成分的導體的兩端接合電路時，如果兩接合點的熱電偶的溫度不同，則在電路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。 如果熱電偶的工作端和參照端存在溫度差，則顯示器會顯示與熱電偶產(chǎn)生的熱電勢對應(yīng)的溫度值。 熱電偶的熱電熱隨著測量端的溫度升高而增加，其大小僅與熱電偶的材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電偶的長度、直徑無關(guān)。 各種熱電偶的外形因需求而異，但基本結(jié)構(gòu)基本相同，通常由熱電極、絕緣蓋保護管和端子箱等主要部分構(gòu)成，通常與顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器組合使用。

優(yōu)勢包括:

①測量精度高。 由于熱電偶直接與被測對象接觸，因此不受中間介質(zhì)的影響。 ②測量范圍廣。 通常的熱電偶可以從-50"+1600℃開始連續(xù)測量，特定的特殊熱電偶zui可以測量到-269℃(例如，金鐵鎳鈷合金)，zui可以測量到+2800℃(例如，鎢-錸)。 ③結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

熱電偶通常由兩種不同的電線組成，且不受大小和開頭限制，外面有保護套，使用方便。

1 .熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)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類。 調(diào)用的標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、統(tǒng)一的標準尺度的熱電偶，有與其配套的顯示器。 未標準化的熱電偶不及使用范圍或數(shù)量級標準化的熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的標度表，主要用于特殊情況下的測量。 標準化熱電偶我國自1988年1月1日起，熱電偶和熱阻均按IEC國際標準生產(chǎn)，將s、b、e、k、r、j、t 7種標準化熱電偶指定為中國統(tǒng)一設(shè)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很貴重(特別是采用貴金屬時)，因此從測溫點到儀表的距離較遠，為了節(jié)約熱電偶材料、降低成本，通常使用補償導線將熱電偶的冷端(自由端)延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室，并與儀表端子連接。 必須指出，熱電偶補償導線的作用只是將熱電偶的冷端子移動到控制室的儀表端子，不能消除冷端子的溫度變化對測溫的影響，不能進行補償。 因此，為了補償冷卻溫度t0&ne，還需要其他修正方法，對0℃下的測溫產(chǎn)生影響。 使用熱電偶補償導線時，要注意形式一致，不能搞錯極性，補償導線和熱電偶連接端的溫度不得超過100℃。

(3)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

為了確保熱電偶可靠穩(wěn)定地工作，其結(jié)構(gòu)要求如下

1補償導線與熱電偶自由端的連接應(yīng)簡單可靠，雙保護套應(yīng)保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。 3構(gòu)成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固，四個熱電極必須相互絕緣，防止短路

3 .熱電偶測溫的基本原理

焊接兩種不同材料的導體或半導體a和b，構(gòu)成圖2-1-1所示的閉環(huán)。 當導體a和b的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫度差時，在兩者之間產(chǎn)生電動勢，在電路中產(chǎn)生大電流的現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。 熱電偶利用這個效果發(fā)揮作用。

測溫電阻體的測溫原理

在工業(yè)應(yīng)用中，熱電偶一般適于測量500℃以上的高溫。 在500℃以下的中低溫度下，熱電偶的輸出熱電勢小，二次計的放大器、抗噪聲對策等要求高，否則測定變得困難，并且，在比較低的溫度區(qū)域，由冷端溫度的變化引起的相對誤差也非常顯著。 因此，測量過程中，低溫度一般使用測溫電阻溫度計是合適的。

1 .測溫電阻體的測溫原理與熱電偶的測溫原理不同的是，測溫電阻體根據(jù)電阻體的熱效應(yīng)進行溫度測量，即電阻體的電阻值隨溫度的變化而變化的特性。 因此，只要測量熱敏電阻的電阻值變化，就可以測量溫度。 目前主要有金屬測溫電阻體和半導體測溫電阻體兩種。 金屬熱電阻體電阻值和溫度為Rt=Rt0[1+&alpha； ( t-t0)]式中，Rt為溫度t時電阻值Rt0為溫度t0 (通常t0=0℃)時的對應(yīng)電阻值&alpha； 是溫度系數(shù)。 半導體熱敏電阻的電阻值和溫度關(guān)系取決于Rt=AeB/t式中Rt為溫度t時的電阻值a、b是半導體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。 與此相比，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高(通常數(shù)千歐元以上)，但互換性差，非線性嚴重，測溫范圍為-50~300℃左右，多用于家電和汽車用的溫度檢測和控制。 金屬熱阻一般應(yīng)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，在過程控制中應(yīng)用極為廣泛。

2、熱阻的結(jié)構(gòu)形式類似于熱電偶溫度傳感器，工業(yè)上常用的熱阻主要有普通的組裝式熱阻和護套熱阻兩種類型。 一般的組裝式熱電阻由感溫體、有銹鋼的外保護管、端子箱以及各種用途的固定裝置構(gòu)成，安裝固定裝置有固定外螺紋、可動法蘭、固定法蘭和帶固定螺栓的錐形保護管等形式。 套管測溫電阻外保護套采用不銹鋼，填充高密度氧化物絕緣體，具有較強的抗污染性能和優(yōu)異的機械強度。 與前者相比，護套熱阻具有直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應(yīng)時間快、壽命長的優(yōu)點。 對于一些特殊測溫，可以選擇一些專業(yè)的測溫電阻體。 例如，測量固體表面溫度時可選擇端面電阻體，容易燃燒時可選擇防爆型的測溫電阻體，測量振動設(shè)備的溫度時可選擇具有防振結(jié)構(gòu)的測溫電阻體。 　

3、測溫電阻體的信號連接方式測溫電阻體是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要將電阻信號通過導線傳遞給計算機控制裝置或其他一次儀表。 工業(yè)熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與控制室之間有一定的距離，熱電阻引線對測量結(jié)果有很大影響。 現(xiàn)在，測溫電阻體的導線主要有3種方式○1二線方式:將在測溫電阻體的兩端分別連接1根導線來引出電阻信號的方式稱為二線方式:該導線方式簡單，但是連接導線必須存在導線電阻r，r的大小與導線的材質(zhì)和長度的要素有關(guān) 該導線方式僅適用于測量精度低的情況○2三線方式:將一根導線連接在測溫電阻體的根部的一端，將兩根導線連接在另外一端的方式稱為三線制，該方式通常與橋組合使用，能夠很好地消除導線電阻的影響，工業(yè)過程控制中的zuu ○3四線式:在熱電阻體根部的兩端各連接2根導線的方式稱為四線式，其中2根導線向熱電阻體供給恒定電流I，將r轉(zhuǎn)換為電壓信號u，用另外2根導線將u導入二次計。 該引線方式可完全消除引線電阻的影響，可知主要用于高精度的溫度檢測。

4、工業(yè)上常用的金屬熱電阻體，從電阻的溫度變化來看，幾乎所有的金屬導體都具有這種性質(zhì)，但并不能作為測熱電阻體使用。 作為熱電阻體的金屬材料，一般具有盡可能大、穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率大(以相同的靈敏度減小傳感器的尺寸)、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學物性、材料的轉(zhuǎn)印性良好、電阻值對應(yīng)于溫度變化而具有之間的值的函數(shù)關(guān)系( zui具有線性關(guān)系) 目前應(yīng)用zui的廣泛熱阻材料是鉑和銅:鉑的電阻精度高，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小的銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，適用于溫度線數(shù)越大、無腐蝕的介質(zhì)，容易氧化超過150 中國zui常用的是R0=10&Omega，R0=100&Omega； 和R0=1000&Omega； 還有一些其他的。 這些索引號分別為Pt10、Pt100、Pt1000。銅電阻為R0=50&Omega； 和R0=100&Omega； 兩種情況下，這些索引號是Cu50和Cu100。 其中Pt100和Cu50的應(yīng)用zui廣泛。

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