熱電偶、熱電阻工作原理及特點(diǎn)

ID:109770 · 發(fā)表于 2016-3-20 21:47

本帖最后由 51黑bing 于 2016-3-20 21:48 編輯

1．熱電偶、熱電阻工作原理及特點(diǎn)

□ 熱電偶工作原理
將兩種不同的金屬導(dǎo)體焊接在一起，構(gòu)成閉合回路，如在焊接端（即測量端）加熱產(chǎn)生溫差，則在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，此種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)（Seebeck-effect）。如將另一端（即參考端）溫度保持一定（一般為0℃），那么回路的熱電動勢則變成測量端溫度的單值函數(shù)。這種以測量熱電動勢的方法來測量溫度的元件，即兩種成對的金屬導(dǎo)體，稱為熱電偶。
熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，其大小僅與熱電極材料及兩端溫差有關(guān)，與熱電極長度、直徑無關(guān)。

熱電偶工作原理圖
□ 熱電阻工作原理
工業(yè)用熱電阻分鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類。
熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時自身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的。熱電阻的受熱部份(感溫元件)是用細(xì)金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上。當(dāng)被測介質(zhì)中有溫度發(fā)生變化時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)中的平均溫度。
□ 熱電偶、熱電阻特點(diǎn)

熱電偶

熱電阻

熱電偶同其它種溫度計(jì)相比具有如下特點(diǎn)：
a、優(yōu)點(diǎn)
·熱電偶可將溫度量轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行檢測，對于溫度的測量、控制，以及對溫度信號的放大、變換等都很方便，
·結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，
·價格便宜，
·惰性小，
·準(zhǔn)確度高，
·測溫范圍廣，
·能適應(yīng)各種測量對象的要求（特定部位或狹小場所），如點(diǎn)溫和面溫的測量，
·適于遠(yuǎn)距離測量和控制。
b、缺點(diǎn)
·測量準(zhǔn)確度難以超過0.2℃，
·必須有參考端，并且溫度要保持恒定。
·在高溫或長期使用時，因受被測介質(zhì)影響或氣氛腐蝕作用（如氧化、還原）等而發(fā)生劣化。

熱電阻同其它種溫度計(jì)相比具有如下特點(diǎn)：
a、優(yōu)點(diǎn)
·準(zhǔn)確度高。在所有常用溫度計(jì)中，準(zhǔn)確度最高，可達(dá)1mk。
·輸出信號大，靈敏度高。如在0℃用Pt100鉑熱電阻測溫，當(dāng)溫度變化1℃時，其電阻值約變化0.4Ω，如果通過電流為2mA，則其電壓輸出量變化為800μV。在相同條件下，即使靈敏度比較高的K型熱電偶，其熱電動勢變化也只有40μV左右。由此可見，熱電阻的靈敏度較熱電偶高一個數(shù)量級。
·測溫范圍廣，穩(wěn)定性好。在振動小而適宜的環(huán)境下，可在很長時間內(nèi)保持0.1℃以下的穩(wěn)定性。
·無需參考點(diǎn)。溫度值可由測得的電阻值直接求出。
·輸出線性好。只用簡單的輔助回路就能得到線性輸出，顯示儀表可均勻刻度。
b、缺點(diǎn)
·采用細(xì)金屬絲的熱電阻元件抗機(jī)械沖擊與振動性能差。
·元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難大，尺寸較大，因此，熱響應(yīng)時間長。·不適宜測量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。

ID:109770 · 發(fā)表于 2016-3-20 21:51

本帖最后由 51黑bing 于 2016-3-20 21:54 編輯

熱電阻與熱電偶

熱電阻：電阻值隨溫度變化的溫度檢測元件

金屬熱電阻
熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
熱敏電阻
對熱敏感的半導(dǎo)體電阻。其阻值隨溫度變化的曲線呈非線性。
熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件
金屬熱電阻與熱敏電阻的區(qū)別：
熱敏電阻一般是半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能也就是電阻率受光、熱等因素的影響一般很劇烈的，專業(yè)點(diǎn)的說法就是，光和熱可以作為半導(dǎo)體的激發(fā)源，半導(dǎo)體受光，或者熱的作用，其載流子的濃度也能會增加好幾個數(shù)量級，導(dǎo)電性能或者阻抗發(fā)生很大變化。反過來可以用這些效應(yīng)來確定光或者溫度的參數(shù)。金屬當(dāng)熱電阻的意思是，金屬的電阻會隨溫度的增加而變大，主要是溫度使得金屬原子的振動增加，對電子的散射作用增加

信號連接　　熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響。

　　目前熱電阻的引線主要有三種方式

　　○1二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合

　　○2三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的。

　　○3四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。

　　熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。這是因?yàn)闇y量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差
熱電偶：
定義1：基于澤貝克效應(yīng)在電路中產(chǎn)生電動勢的一對不同材料的導(dǎo)電體。定義2：一端結(jié)合在一起的一對不同材料的導(dǎo)體，并應(yīng)用其熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度測量的敏感元件。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償正常。與測量儀表連接用專用補(bǔ)償導(dǎo)線。
　　附：熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算方法：從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度。從溫度到毫伏：測量出實(shí)際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度熱電偶的基本定律　　
1，均質(zhì)導(dǎo)體定律
　　由同一種均質(zhì)材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）兩端焊接組成閉合回路，無論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布，將不產(chǎn)生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。
　　可見，熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會產(chǎn)生附加熱電勢。
　　2，中間導(dǎo)體定律
　　在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。
　　應(yīng)用：依據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶實(shí)際測溫應(yīng)用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測溫系統(tǒng)。
　　有人擔(dān)心用銅導(dǎo)線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值，在導(dǎo)線與熱電偶連接處產(chǎn)生的接觸電勢會使測量產(chǎn)生附加誤差。根據(jù)這個定律，是沒有這個誤差的！
　　3，中間溫度定律
　　熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為T、T0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。
　　應(yīng)用：由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系，當(dāng)冷端溫度不為0℃時，不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E（t,t0）直接查表求取熱端溫度值；也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E（t,t0）直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測溫度值，需按中間溫度定律進(jìn)行修正。初學(xué)者經(jīng)常不按中間溫度定律來修正！
　　4，參考電極定律
　　這個定律是專業(yè)人士才研究、關(guān)注的，一般生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)的人士不太了解，簡單說明就是：用高純度鉑絲做標(biāo)準(zhǔn)電極，假設(shè)鎳鉻-鎳硅熱電偶的正負(fù)極分別和標(biāo)準(zhǔn)電極配對，他們的值相加是等于這支鎳鉻-鎳硅的值。

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熱電偶、熱電阻工作原理及特點(diǎn)