知識||熱電偶與熱電阻的原理和構造

　　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。通常來說接觸式測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高，在工業中使用的一般有雙金屬，熱電偶，熱電阻等。其中雙金屬一般為現場指示，電偶、電阻一般用于DCS、PLC等集散控制的遠端顯示，今天簡單介紹下熱電偶和熱電阻。

　　一、熱電偶的原理及構造

　　熱電偶是工業上常用的溫度檢測元件之一。其優點是：

　　①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。

　　②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量，某些特殊熱電偶低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。

　　③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。

　　1．熱電偶測溫基本原理

　　將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。

　　2．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。所調用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。標準化熱電偶

　　我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并S、B、E、K、R、J、T（即分度號）七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。

　　(2)熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對它的結構要求如下：

　　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。

　　3．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℃。

　　例如：S型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶

　　鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規定為0.5mm，允許偏差-0.02mm，其正極（SP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。

　　S型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點。它的物理，化學性能良好，熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于S型熱電偶具有優良的綜合性能，符合國際使用溫標的S型熱電偶，長期以來曾作為國際溫標的內插儀器，“ITS-90”雖規定今后不再作為國際溫標的內查儀器，但國際溫度咨詢委員會（CCT）認為S型熱電偶仍可用于近似實現國際溫標。

　　S型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。

　　二、熱電阻的原理及構造

　　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。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，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

　　熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，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）精通型熱電阻

　　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導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。

　　（兩線制：兩根線及傳輸電源又傳輸信號,也就是傳感器輸出的負載和電源是串聯在一起的，電源是從外部引入的，和負載串聯在一起來驅動負載。三線制：三線制傳感器就是電源正端和信號輸出的正端分離，但它們共用一個COM端。四線制：電源兩根線，信號兩根線。電源和信號是分開工作的。）

　　（2）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：①體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。

　　（3）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。

　　（4）隔爆型熱電阻

　　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。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。

　　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。必須注意以下兩點：

　　①熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致

　　②為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法

　　熱電阻顧名思義，它的電阻的阻值是隨著溫度變化而變化的，比如，用線性比較好的鉑絲、銅絲作的電阻。工業用熱電阻一般采用Pt100,Pt10,Pt1000、Cu50,Cu100,鉑熱電阻的測溫的范圍一般為零下200-800攝氏度，銅熱電阻為零下40到140攝氏度。

　　如用鉑絲做成的熱電阻，其分度號稱Pt100。就是說它的阻值在0度時為100歐姆，負200度時為18.52歐姆，200度時為175.86歐姆，800度時為375.70歐姆。

　　比如用銅絲作的熱電阻，分度號Cu50。它在0度時，阻值是50歐姆，100度時是71.400歐姆。

　　熱電阻公式都是Rt=Ro(1+A*t+B*t*t);Rt=Ro[1+A*t+B*t*t+C(t-100)*t*t*t]的形式，t表示攝氏溫度，Ro是零攝氏度時的電阻值，A、B、C都是規定的系數，對于Pt100,Ro就等于100。

　　分度號定義：代表溫度范圍，且代表每種分度號的熱電偶或熱電阻具體多少溫度輸出多少伏特的電壓或者毫伏的電壓。