原创 热电偶与热电阻专题讲解

2010-10-1 11:44 2361 5 9 分类: 模拟

1、热电偶与热电阻基本概念及工作原理


热电偶:英文是Thermo Couple,简称 TC,工作原理:热电偶由两根不同导线(热电极)组成,它们的一端是互相焊接的,形成热电偶的测量端(也称工作端)。将它插入待测温度的介质中;而热电偶的另一端 (参比端或自由端)则与显示仪表相连。如果热电偶的测量端与参比端存在温度差,则显示仪表将指出热电偶产生的热电动势。


热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件,其主要特点就是测温范围宽,性能比较稳定,同时结构简单,动态响应好,更能够远传4-20mA电信号,便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生热电势,这种现象称为热电效应,又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成:温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势,不同的导体具有不同的电子密度,所以产生的电势也不相同,而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时,因为电子密度不同所以产生一定的电子扩散,当其达到一定的平衡后所形成的电势,接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及接触点的温度。


热电阻又叫电阻温度检测器:英文Resistance Temperature Detector,简称 RTD,工作原理:热电阻是利用金属导体或半导体有温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的,热电阻的受热部分(感温元件)是用细金属丝均匀地绕在绝缘材料作成的骨架上或通过激光溅射工艺在基片形成。当被测介质有温度梯度时,则所测得的温度是感温元件所在范围内介质层的平均温度。


热电阻虽然在工业中应用也比较广泛,但是由于其测温范围小使它的应用受到了一定的限制,热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。其优点也很多,也可以远传电信号,灵敏度高,稳定性强,互换性以及准确性都比较好,但是需要电源激励,不能够瞬时测量温度的变化。


2、热电偶与热电阻的区别


随着温度的变化,热电阻的阻值会发生变化,热电偶的热电势会发生变化。


(1) 工作原理不同:热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的;而热电偶工作原理是基于赛贝克效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路,如两连接端温度不同,则在回路内产生热电流的物理现象。


(2) 测量范围不同:热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器,而热电偶测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。


(3) 工艺不同:在实际应用中,热电阻一般用三芯铜导线,用于去除导线的电阻值的影响;热电偶使用两芯专用补偿导线,用于去除热电偶现场温度的影响。


3、热电偶的分类


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1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。


目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范,国际上规定热电偶分为八个不同的分度,分别为B,R,S,K,N,E,J和T,其测量温度的最低可测零下270摄氏度,最高可达1800摄氏度,其中B,R,S属于铂系列的热电偶,由于铂属于贵重金属,所以它们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种,普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成,而铠装型热电偶则是将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后,经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递,这种导线我们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线,其主要作用就是与热电偶连接,使热电偶的参比端远离电源,从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型和延长型两种,延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同,但是实际中,延长型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属,一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替。补偿导线的与热电偶的连线一般都是很明了,热电偶的正极连接补偿导线的红色线,而负极则连接剩下的颜色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。


4、热电阻的分类


目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。半导体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,在工程控制中的应用极其广泛。


工业上常用金属热电阻,因为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,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(最好呈线性关系)。目前应用最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。中国最常用的有R0=10Ω(即0摄氏度时阻值为10欧姆)、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种,它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000;铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。


此外,热电阻还可以按结构分可以分为四种:


(1) 普通型热电阻


由电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。


(2) 铠装热电阻


铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,它的外径一般为φ2--φ8mm。与普通型热电阻相比,它有下列优点:1) 体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;2) 机械性能好、耐振,抗冲击;3) 能弯曲,便于安装;4) 寿命长。


(3) 端面热电阻


端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。


(4) 隔爆型热电阻


隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内,生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla--B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。


5、热电偶的分度号及特点


热电偶的分度号主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶,N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。


S分度号的特点是抗氧化性能强,宜在氧化性、惰性气氛中连续使用,长期使用温度1400℃,短期1600℃。在所有热电偶中,S分度号的精确度等级最高, 通常用作标准热电偶。


R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右,其它性能几乎完全相同。


B分度号在室温下热电动势极小,故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600℃,短期1800℃。可在氧化性或中性气氛中使用,也可在真空条件下短期使用。


N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强,热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好,耐核辐照及耐低温性能也好,可以部分代替S分度号热电偶。


K分度号的特点是抗氧化性能强,宜在氧化性、惰性气氛中连续使用,长期使用温度1000℃,短期1200℃。在所有热电偶中使用最广泛。


E分度号的特点是在常用热电偶中,其热电动势最大,即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用,使用温度0-800℃。


J分度号的特点是既可用于氧化性气氛(使用温度上限750℃),也可用于还原性气氛(使用温度上限950℃),并且耐H2及CO气体腐蚀,多用于炼油及化工。


T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高,通常用来测量300℃以下的温度。


6、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,引线电阻的大小与导线的材质和长度等因素有关,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最常用的。(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,把电阻转换成电压信号,再通过另两根引线把电压信号引至二次仪表。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。


7、热电阻和热电偶的应用场合


热电阻与热电偶的选择最大的区别就是温度范围的选择,热电阻是测量低温的温度传感器,一般测量温度在-200~600℃;而热电偶是测量中高温的温度传感器,一般测量温度在400~1800℃,在选择时如果测量温度在200℃左右就应该选择热电阻测量,如果测量温度在600℃就应该选择K型热电偶,如果测量温度在1200~1600℃就应该选择S型或者B型热电偶。


根据测温范围选择:500℃以上一般选择热电偶,500℃以下一般选择热电阻;


根据测量精度选择:对精度要求较高选择热电阻,对精度要求不高选择热电偶;


根据测量范围选择:热电偶所测量的一般指“点”温,热电阻所测量的一般指空间平均温度。


8、热电偶的选型


 选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。


(1) 测量精度和温度测量范围的选择:使用温度在1300~1800℃,要求精度又比较高时,一般选用B型热电偶;要求精度不高,气氛又允许可用钨铼热电偶;高于1800℃一般选用钨铼热电偶;使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶;在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶,低于400℃一般用E型热电偶;250℃下以及负温测量一般用T型电偶,在低温时T型热电偶稳定而且精度高。


(2) 使用气氛的选择:S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用,J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛,若使用气密性比较好的保护管,对气氛的要求就不太严格。


(3) 耐久性及热响应性的选择:线径大的热电偶耐久性好,但响应较慢一些,对于热容量大的热电偶,响应就慢,测量梯度大的温度时,在温度控制的情况下,控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性,选择铠装偶比较合适。


(4) 测量对象的性质和状态对热电偶的选择:运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高,有化学污染的气氛要求有保护管,有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。


选型流程:型号--分度号--防爆等级--精度等级--安装固定形式--保护管材质--长度或插入深度。

文章评论4条评论)

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billzhu_345737527 2013-11-19 18:14

好!

billzhu_345737527 2013-11-19 18:12

你好!看了你的博客,很受用。想请教一个问题:我想测纤维的导热系数,也就是随时间温度的变化,我是该用热电偶呢还是热电阻?纤维的导热系数很低,大约0.02-5W/mK.所以我想所选热电偶或者热电阻精确度最好能达到0.01度的。同时,最好可以在真空或者氮气氛围下使用的。万分感谢! P.S. 你能发我邮箱吗?dushan_0901@163.com 多谢了!!!

zhangfuli05_818919263 2010-10-23 00:24

很好,很详细,可以和我用的教材 检测与传感器 书上的相媲美了

朱玉龙 2010-10-4 13:38

无图啊,密密麻麻的文字
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