熱電偶和熱電阻

熱電偶和熱電阻

一、溫度測量的基本概念

    溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。

    華氏溫標（oF）規定：在標準大氣壓下，冰的熔點為32度，水的沸點為212度，中間劃分180等分，每等分為華氏1度，符號為oF。

    攝氏溫度（℃）規定：在標準大氣壓下，冰的熔點為0度，水的沸點為100度，中間劃分100等分，每等分為攝氏1度，符號為℃。

    熱力學溫標又稱開爾文溫標，或稱**溫標，它規定分子運動停止時的溫度為**零度，記符號為K。
   國際實用溫標是一個國際協議性溫標，它與熱力學溫標相接近，而且復現精度高，使用方便。目前國際通用的溫標是國際溫標ITS-90。
國際溫標（ITS-90）簡介如下。

• 溫度單位
  熱力學溫度（符號為T）是基本功手物理量，它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16。由于以前的溫標定義中，使用了與273.15K（冰點）的差值來表示溫度，因此現在仍保留這各方法。
  根據定義，攝氏度的大小等于開爾文，溫差亦可以用攝氏度或開爾文來表示。
  國際溫標ITS-90同時定義國際開爾文溫度(符號為T90)和國際攝氏溫度(符號為t90)
• 國際溫標ITS-90的通則
  ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實際可測量的*高溫度。ITS-90是這樣制訂的，即在全量程中，任何溫度的T90值非常接近于溫標采納時T的*佳估計值，與直接測量熱力學溫度相比，T90的測量要方便得多，而且更為精密，并具有很高的復現性。
• ITS-90的定義
  **溫區為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關系式來定義。
  **溫區為3.0K到氖三相點(24.5661K)之間T90是用氦氣體溫度計來定義.
  第三溫區為平衡氫三相點(13.8033K)到銀的凝固點(961.78℃)之間,T90是由鉑電阻溫度計來定義.它使用一組規定的定義固定點及利用規定的內插法來分度.

    銀凝固點(961.78℃)以上的溫區,T90是按普朗克輻射定律來定義的,復現儀器為光學高溫計.

二、溫度測量儀表的分類

   溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測溫儀表測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現象，同時受耐高溫材料的限制，不能應用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應速度一般也比較快；但受到物體的發射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。

三、熱電偶和熱電阻

  在接觸式溫度測量儀表熱電偶和熱電阻是工業上*常用的溫度檢測元件。

（一）熱電偶

1、熱電偶特點是：

• 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。
• 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶*低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），*高可達+2800℃（如鎢-錸）。
• 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。

2、熱電偶測量原理

    熱電偶是一種感溫元件, 它能將溫度信號轉換成熱電勢信號, 通過電氣測量儀表的配合, 就能測量出被測的溫度。熱電偶測溫的基本原理是熱電效應。在由兩種不同材料的導體 A 和 B 所組成的閉合回路中 , 當 A 和 B 的兩個接點處于不同溫度 T 和 To時, 在回路中就會產生熱電勢。這就是所謂的塞貝克效應。導體 A 和 B 稱為熱電極。溫度較高的一端 (T 〉叫工作端 ( 通常焊接在一起 )；溫度較低的一端 (To 〉叫自由端 ( 通常處于某個恒定的溫度下〉。根據熱電勢與溫度函數關系。可制成熱電偶分度表。分度表是在自由端溫度 To=00C 的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。
    在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時, 只要該材料兩個接點的溫度相同,熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時, 可接入測量儀表, 測得熱電勢后,即可知道被測介質的溫度。

3、熱電偶的種類及結構形成

（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。標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統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量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。

（2）熱電偶的材料

    從理論上講, 任何兩種導體都可以配制成熱電偶, 但實際上并不是所有材料都能制作熱電偶,故對熱電極材料必須滿足以下幾點：

• 熱電偶材料受溫度作用后能產生較高的熱電勢,熱電勢和溫度之間的關系*好呈線性或近似線性的單值函數關系；
• 能測量較高的溫度, 并在較寬的溫度范國內應用, 經長期使用后,物理、化學性能及熱電特性保持穩定；
• 要求材料的電阻溫度系數要小, 電阻率高, 導電性能好, 熱容量要小；
• 復現性要好, 便于大批生產和互換, 便于制定統一的分度表；
• 機械性能好, 材質均勻；
• 資源豐富, 價格便宜。

（3）為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對熱電偶的結構要求如下：
① 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；
② 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；
③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

4、熱電偶的分度號

    標準化熱電偶，按IEC國際標準生產。熱電偶的分度號有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。

    S分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，長期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號的**度等級*高，通常用作標準熱電偶；
    R分度號與S分度號相比除熱電動勢大15%左右，其它性能幾乎完全相同；
   B分度號在室溫下熱電動勢極小，故在測量時一般不用補償導線。它的長期使用溫度為1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性氣氛中使用，也可在真空條件下短期使用。
    N分度號的特點是1300℃下高溫抗氧化能力強，熱電動勢的長期穩定性及短期熱循環的復現性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號熱電偶；
   K分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，長期使用溫度1000℃，短期1200℃。在所有熱電偶中使用*廣泛；
   E分度號的特點是在常用熱電偶中，其熱電動勢*大，即靈敏度*高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，使用溫度0-800℃；$vme
    J分度號的特點是既可用于氧化性氣氛(使用溫度上限750℃)，也可用于還原性氣氛(使用溫度上限950℃)，并且耐H2及CO氣體腐蝕，多用于煉油及化工；
   T分度號的特點是在所有廉金屬熱電偶中**度等級*高，通常用來測量300℃以下的溫度。

5、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）延伸到溫度比較穩定的控制室內，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℃。

• 冷端溫度補償器的型號應與熱電偶的型號相符,并在規定溫度范圍內使用;
• 冷端溫度補償器與熱電偶連接時極性不能接錯;
• 根據補償器的平衡點溫度調整儀表起始點,使指針批示在平衡點溫度;
• 具有自動補償機構的顯示儀表不安裝補償器;
• 補償器必須定期檢查和檢定.

（二）熱電阻
　　熱電阻是中低溫區*常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱是阻的測量**度是*高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。

1．熱電阻測溫原理及材料

 　 熱電阻是利用金屬導體或半導體有溫度變化時本身電阻也隨著發生變化的特性來測量溫度的，熱電阻的受熱部分(感溫元件)是用細金屬絲均勻地繞在絕緣材料作成的骨架上或通過激光濺射工藝在基片形成。當被測介質有溫度梯度時，則所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層的平均溫度。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用*多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。

2．熱電阻的結構

（1）鎧裝熱電阻 鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，它的外徑一般為φ2~φ8mm。 與普通型熱電阻相比，它有下列優點：

• 體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；
• 機械性能好、耐振，抗沖擊；
• 能彎曲，便于安裝
• 使用壽命長。

（2）端面熱電阻 端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。
（3）隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻可用于區內具有爆炸危險場所的溫度測量。隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引超爆炸。

3．熱電阻測溫系統的組成

    熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種線電阻的變化會給溫度測量帶來影響，引起連接導線電阻的變化主要有:導線長度的變化,導線接頭處接觸電阻的變化,重接線引起的電阻變化,還有環境溫度的變化以及測量線路中寄生電勢等。

   熱電阻的引出線方式有3種：即2線制、3線制、4線制。

• 2線制熱電阻配線簡單，但要帶進引線電阻的附加誤差。因此不適用制造A級精度的熱電阻，且在使用時引線及導線都不宜過長。
• 3線制可以消除引線電阻的影響，測量精度高于2線制。作為過程檢測元件，其應用*廣。
• 4線制不僅可以消除引線電阻的影響，而且在連接導線阻值相同時，還可以消除該電阻的影響。在高精度測量時，要采用4線制。

（三）如何選擇熱電偶和熱電阻

選擇熱電偶和熱電阻，應從以下幾方面考慮

• 根據測溫范圍選擇：500℃以上一般選擇熱電偶，500℃以下一般選擇熱電阻；
• 根據測量精度選擇：對精度要求較高選擇熱電阻，對精度要求不高選擇熱電偶；
• 根據測量范圍選擇：熱電偶所測量的一般指“點”溫，熱電阻所測量的一般指空間平均溫度。