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热电偶\热电阻测温原理
点击次数:5505 发布时间:2012-01-05

PT100热电阻/热电偶 、双金属温度计
 

热电偶测温原理

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时,当两接合点 热电偶温度不同时,就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时,显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长,它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关,与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同,但是它们的基本结构却大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。

其优点是:

测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
测量范围广。常用的热电偶从-50"+1600均可边续测量,某些特殊热电偶zui低可测到-269(如金铁镍铬),zui高可达+2800(如钨- 铼)。
构造简单,使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。

1.热电偶的种类及结构形成

1)热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶 我国从198811日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定SBEKRJT七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

2.热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵 金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热 电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷 端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到 仪表端子上。必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100

(3)热电偶的结构形式

为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:

1 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
2
保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
3
组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
4
两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;

3.热电偶测温基本原理

将两种不同材料的导体或半导体AB焊接起来,构成一个闭合回路,如图2-1-1所示。当导体AB的两个执着点12之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。


热电阻测温原理

在工业应用中,热电偶一般适用于测量500以上的较高温度。对于500以下的中、低温度,热电偶的输出的热电势很小,这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高,否则难以实现测量;而且,在较低温区域,冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。

1 热电阻的测温原理
与热电偶的测温原理不同的是,热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此,只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即
Rt=Rt0[1+α
t-t0]
式中,Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0(通常t0=0)时对应电阻值;α为温度系数。
半导体热敏电阻的阻值和温度关系为
Rt=AeB/t
式中Rt为温度为t时的阻值;AB取决于半导体材料的结构的常数。
相比较而言,热敏电阻的温度系数更大,常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上),但互换性较差,非线性严重,测温范围只有-50~300左右,大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200~500范围内的温度测量,其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠,在程控制中的应用极其广泛。

2 热电阻的结构形式
和热电偶温度传感器相类似,工业上常用的热电阻主要有普通装配式热电阻和铠装热电阻两种型式。
普通通装配式热电阻是由感温体、有锈钢外保护管、接线盒以及各种用途的固定装置级成,安装固定装置有固定外螺纹、活动法兰盘、固定法兰和带固定螺栓锥形保护管等形式。铠装热电阻外保护套管采用不锈钢,内充高密度氧化物绝缘体,具有很强的抗污染性能和优良的机械强度。与前者相比,铠装热电阻具有直径小、易弯曲、抗震性好、热响应时间快、使用寿命长的优点。
对于一些特殊的测温场合,还可以选用一些专业型热电阻,如,测量固体表面温度可以选用端面热电阻,在易燃易爆场合可以选用防爆型热电阻,测量震动设备上的温度可以选用带有防震结构的热电阻等。 

3、热电阻的信号连接方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场,与控制室之间存在一定的距离,因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。
目前热电阻的引线主要有三种方式
○1
二线制:在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制:这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引线电阻rr大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合
○2
三线制:在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响,是工业过程控制中的zui常用的引线电阻。
○3
四线制:在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。

4 工业上常用金属热电阻
从电阻随温度的变化来看,大部分金属导体都有这个性质,但并不是都能用作测温热电阻,作为热电阻的金属材料一般要求:尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(zui好呈线性关系)。
目前应用zui广泛的热电阻材料是铂和铜:铂电阻精度高,适用于中性和氧化性介质,稳定性好,具有一定的非线性,温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系,温度线数大,适用于无腐蚀介质,超过150易被氧化。中国zui常用的有R0=10ΩR0=100ΩR0=1000Ω等几种,它们的分度号分别为Pt10Pt100Pt1000;铜电阻有R0=50ΩR0=100Ω两种,它们的分度号为Cu50Cu100。其中Pt100 Cu50的应用zui为广泛。

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