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熱電阻與熱電偶

一、溫度測(cè)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(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)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(cè)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(hào)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(hào)為℃。

    熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開(kāi)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(hào)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(jiǎn)介如下。

• 溫度單位
  熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T）是基本功手物理量，它的單位為開(kāi)爾文（符號(hào)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(lái)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(kāi)爾文，溫差亦可以用攝氏度或開(kāi)爾文來(lái)表示。
  溫標(biāo)ITS-90同時(shí)定義開(kāi)爾文溫度（符號(hào)為T90）和攝氏溫度（符號(hào)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(cè)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(cè)量熱力學(xué)溫度相比，T90的測(cè)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)定義的,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì).

二、溫度測(cè)量?jī)x表的分類

   溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測(cè)溫儀表測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)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(cè)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(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫是通過(guò)熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。

三、熱電偶和熱電阻

  在接觸式溫度測(cè)量?jī)x表熱電偶和熱電阻是工業(yè)上zui常用的溫度檢測(cè)元件。

（一）熱電偶

1、熱電偶特點(diǎn)是：

• 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
• 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶zui低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），zui高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。
• 構(gòu)造簡(jiǎn)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(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。

2、熱電偶測(cè)量原理

    熱電偶是一種感溫元件, 它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào), 通過(guò)電氣測(cè)量?jī)x表的配合, 就能測(cè)量出被測(cè)的溫度。熱電偶測(cè)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(shì)。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(shì)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(shì)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(cè)溫時(shí), 可接入測(cè)量?jī)x表, 測(cè)得熱電勢(shì)后, 即可知道被測(cè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)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(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)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(duì)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(shì), 熱電勢(shì)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(cè)量較高的溫度, 并在較寬的溫度范國(guó)內(nèi)應(yīng)用, 經(jīng)長(zhǎng)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(duì)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(hào)

    標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。熱電偶的分度號(hào)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(hào)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(zhǎng)期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號(hào)的度等級(jí)zui高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；
    R分度號(hào)與S分度號(hào)相比除熱電動(dòng)勢(shì)大15%左右，其它性能幾乎*相同；
    B分度號(hào)在室溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長(zhǎng)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(hào)的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)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(hào)熱電偶；
    K分度號(hào)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(zhǎng)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(hào)的特點(diǎn)是在常用熱電偶中，其熱電動(dòng)勢(shì)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(hào)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(hào)的特點(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中度等級(jí)zui高，通常用來(lái)測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)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(guò)100℃。

• 冷端溫度補(bǔ)償器的型號(hào)應(yīng)與熱電偶的型號(hào)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(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測(cè)量度是zui高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。

1．熱電阻測(cè)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(lái)測(cè)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(guò)激光濺射工藝在基片形成。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)有溫度梯度時(shí)，則所測(cè)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(kāi)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(wú)空氣隙，熱慣性上，測(cè)量滯后小；
• 機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；
• 能彎曲，便于安裝
• 使用壽命長(zhǎng)。

（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(cè)端面的實(shí)際溫度，適用于測(cè)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(chǎng)所的溫度測(cè)量。 隔爆型熱電阻通過(guò)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(chǎng)不會(huì)引超爆炸。

3．熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成

    熱電阻測(cè)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(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)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(cè)量帶來(lái)影響，引起連接導(dǎo)線電阻的變化主要有:導(dǎo)線長(zhǎng)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(cè)量線路中寄生電勢(shì)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(jiǎn)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(guò)長(zhǎng)。
• 3線制可以消除引線電阻的影響，測(cè)量精度高于2線制。作為過(guò)程檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量精度選擇：對(duì)精度要求較高選擇熱電阻，對(duì)精度要求不高選擇熱電偶；
• 根據(jù)測(cè)量范圍選擇：熱電偶所測(cè)量的一般指“點(diǎn)”溫，熱電阻所測(cè)量的一般指空間平均溫度。