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熱電阻與熱電偶

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(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測量溫度的基本單位。目前上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和實(shí)用溫標(biāo)。

    華氏溫標(biāo)（oF）規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，中間劃分180等分，每第分為報(bào)氏1度，符號為oF。

    攝氏溫度（℃）規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分100等分，每第分為報(bào)氏1度，符號為℃。

    熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo)，或稱溫標(biāo)，它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為零度，記符號為K。
    實(shí)用溫標(biāo)是一個(gè)協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。目前通用的溫標(biāo)是溫標(biāo)ITS-90。
溫標(biāo)（ITS-90）簡介如下。

• 溫度單位
  熱力學(xué)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(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16。由于以前的溫標(biāo)定義中，使用了與273.15K（冰點(diǎn)）的差值來表示溫度，因此現(xiàn)在仍保留這各方法。
  根據(jù)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。
  溫標(biāo)ITS-90同時(shí)定義開爾文溫度（符號為T90）和攝氏溫度（符號為t90）
• 溫標(biāo)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(shí)際可測量的zui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(biāo)采納時(shí)T的*估計(jì)值，與直接測量熱力學(xué)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(fù)現(xiàn)性。
• ITS-90的定義
  *溫區(qū)為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。
  第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(diǎn)（24.5661K）之間T90是用氦氣體溫度計(jì)來定義.
  第三溫區(qū)為平衡氫三相點(diǎn)（13.8033K）到銀的凝固點(diǎn)（961.78℃）之間,T90是由鉑電阻溫度計(jì)來定義.它使用一組規(guī)定的定義固定點(diǎn)及利用規(guī)定的內(nèi)插法來分度.

    銀凝固點(diǎn)（961.78℃）以上的溫區(qū),T90是按普朗克輻射定律來定義的,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì).

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(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)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(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)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(yè)上zui常用的溫度檢測元件。

（一）熱電偶

1、熱電偶特點(diǎn)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(zhì)的影響。
• 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(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）。
• 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。

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(zhuǎn)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(yīng)。在由兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 所組成的閉合回路中 , 當(dāng) A 和 B 的兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度 T 和 To時(shí), 在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢。這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。導(dǎo)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(gè)恒定的溫度下>。根據(jù)熱電勢與溫度函數(shù)關(guān)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(shí), 只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同, 熱電偶所產(chǎn)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(shí), 可接入測量儀表, 測得熱電勢后, 即可知道被測介質(zhì)的溫度。

3、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。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。

（2）熱電偶的材料

    從理論上講, 任何兩種導(dǎo)體都可以配制成熱電偶, 但實(shí)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(diǎn)：

• 熱電偶材料受溫度作用后能產(chǎn)生較高的熱電勢, 熱電勢和溫度之間的關(guān)系呈線性或近似線性的單值函數(shù)關(guān)系；
• 能測量較高的溫度, 并在較寬的溫度范國內(nèi)應(yīng)用, 經(jīng)長期使用后, 物理、化學(xué)性能及熱電特性保持穩(wěn)定；
• 要求材料的電阻溫度系數(shù)要小, 電阻率高, 導(dǎo)電性能好, 熱容量要小；
• 復(fù)現(xiàn)性要好, 便于大批生產(chǎn)和互換, 便于制定統(tǒng)一的分度表；
• 機(jī)械性能好, 材質(zhì)均勻；
• 資源豐富, 價(jià)格便宜。

（3）為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對熱電偶的結(jié)構(gòu)要求如下：
① 組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；
② 兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；
③ 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④ 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

4、熱電偶的分度號

    標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。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(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)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zui高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；
    R分度號與S分度號相比除熱電動(dòng)勢大15%左右，其它性能幾乎*相同；
    B分度號在室溫下熱電動(dòng)勢極小，故在測量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長期使用溫度為1600℃，短期1800℃?？稍谘趸曰蛑行詺夥罩惺褂茫部稍谡婵諚l件下短期使用。
    N分度號的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動(dòng)勢的長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)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(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度1000℃，短期1200℃。在所有熱電偶中使用zui廣泛；
    E分度號的特點(diǎn)是在常用熱電偶中，其熱電動(dòng)勢zui大，即靈敏度zui高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，使用溫度0-800℃；$vme
    J分度號的特點(diǎn)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(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中度等級zui高，通常用來測量300℃以下的溫度。

5、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℃。

• 冷端溫度補(bǔ)償器的型號應(yīng)與熱電偶的型號相符,并在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用;
• 冷端溫度補(bǔ)償器與熱電偶連接時(shí)極性不能接錯(cuò);
• 根據(jù)補(bǔ)償器的平衡點(diǎn)溫度調(diào)整儀表起始點(diǎn),使指針批示在平衡點(diǎn)溫度;
• 具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的顯示儀表不安裝補(bǔ)償器;
• 補(bǔ)償器必須定期檢查和檢定.

（二）熱電阻
　　熱電阻是中低溫區(qū)zui常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測量度是zui高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。

1．熱電阻測溫原理及材料

 　 熱電阻是利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體有溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)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(xì)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(dāng)被測介質(zhì)有溫度梯度時(shí)，則所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層的平均溫度。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用zui多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)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(jié)構(gòu)

（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(jiān)實(shí)體，它的外徑一般為φ2~φ8mm。 與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：

• 體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后??；
• 機(jī)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(jì)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(shí)際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。
（3）隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻可用于區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場所的溫度測量。 隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會(huì)引超爆炸。

3．熱電阻測溫系統(tǒng)的組成

    熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)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(huì)給溫度測量帶來影響，引起連接導(dǎo)線電阻的變化主要有:導(dǎo)線長度的變化,導(dǎo)線接頭處接觸電阻的變化,重接線引起的電阻變化,還有環(huán)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(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用制造*精度的熱電阻，且在使用時(shí)引線及導(dǎo)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(yīng)用zui廣。
• 4線制不僅可以消除引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時(shí)，還可以消除該電阻的影響。在高精度測量時(shí)，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(yīng)從以下幾方面考慮

• 根據(jù)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(jù)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(jù)測量范圍選擇：熱電偶所測量的一般指“點(diǎn)”溫，熱電阻所測量的一般指空間平均溫度。