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熱電偶測溫原理介紹
點(diǎn)擊次數(shù):1785 更新時(shí)間:2013-01-06

熱電偶測溫原理

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件,是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時(shí),當(dāng)兩接合點(diǎn) 熱電偶溫度不同時(shí),就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時(shí),顯示儀表將會指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動(dòng)熱將隨著測量端溫度升高而增長,它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān),與熱電極的長度、直徑無關(guān)。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同,但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同,通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成,通常和顯示儀表,記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。

其優(yōu)點(diǎn)是:

測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。
測量范圍廣。常用的熱電偶從-50"+1600均可邊續(xù)測量,某些特殊熱電偶zui低可測到-269(如金鐵鎳鉻),zui高可達(dá)+2800(如鎢- 錸)。
構(gòu)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(hù)套管,用起來非常方便。

1.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。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(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)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 我國從198811日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),并S、B、E、KR、JT七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

2.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測溫的影響,不起補(bǔ)償作用。因此,還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0時(shí)對測溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號相配,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100。

(3)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作,對它的結(jié)構(gòu)要求如下:

1 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
2
保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
3
組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固;
4
兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣,以防短路;

3.熱電偶測溫基本原理

將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體AB焊接起來,構(gòu)成一個(gè)閉合回路,如圖2-1-1所示。當(dāng)導(dǎo)體AB的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)12之間存在溫差時(shí),兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢,因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
熱電阻測溫原理

在工業(yè)應(yīng)用中,熱電偶一般適用于測量500以上的較高溫度。對于500以下的中、低溫度,熱電偶的輸出的熱電勢很小,這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高,否則難以實(shí)現(xiàn)測量;而且,在較低溫區(qū)域,冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。所以測量中、低溫度一般使用熱電阻溫度測量儀表較為合適。

1、 熱電阻的測溫原理
與熱電偶的測溫原理不同的是,熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測量的,即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此,只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?,就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。
金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示,即
Rt=Rt0[1+α
t-t0]
式中,Rt為溫度t時(shí)的阻值;Rt0為溫度t0(通常t0=0)時(shí)對應(yīng)電阻值;α為溫度系數(shù)。
半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為
Rt=AeB/t
式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值;AB取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。
相比較而言,熱敏電阻的溫度系數(shù)更大,常溫下的電阻值更高(通常在數(shù)千歐以上),但互換性較差,非線性嚴(yán)重,測溫范圍只有-50~300左右,大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500范圍內(nèi)的溫度測量,其特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠,在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。

2、 熱電阻的結(jié)構(gòu)形式
和熱電偶溫度傳感器相類似,工業(yè)上常用的熱電阻主要有普通裝配式熱電阻和鎧裝熱電阻兩種型式。
普通通裝配式熱電阻是由感溫體、有銹鋼外保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置級成,安裝固定裝置有固定外螺紋、活動(dòng)法蘭盤、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護(hù)管等形式。鎧裝熱電阻外保護(hù)套管采用不銹鋼,內(nèi)充高密度氧化物絕緣體,具有很強(qiáng)的抗污染性能和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。與前者相比,鎧裝熱電阻具有直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應(yīng)時(shí)間快、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
對于一些特殊的測溫場合,還可以選用一些專業(yè)型熱電阻,如,測量固體表面溫度可以選用端面熱電阻,在易燃易爆場合可以選用防爆型熱電阻,測量震動(dòng)設(shè)備上的溫度可以選用帶有防震結(jié)構(gòu)的熱電阻等?!?/span>

3、熱電阻的信號連接方式
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zui常用的引線電阻。
○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??梢娺@種引線方式可*消除引線的電阻影響,主要用于高精度的溫度檢測。

4、 工業(yè)上常用金屬熱電阻
從電阻隨溫度的變化來看,大部分金屬導(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì),但并不是都能用作測溫?zé)犭娮瑁鳛闊犭娮璧慕饘俨牧弦话阋螅罕M可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大(在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸)、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性能、材料的復(fù)制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關(guān)系(呈線性關(guān)系)。
目前應(yīng)用zui廣泛的熱電阻材料是鉑和銅:鉑電阻精度高,適用于中性和氧化性介質(zhì),穩(wěn)定性好,具有一定的非線性,溫度越高電阻變化率越?。汇~電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系,溫度線數(shù)大,適用于無腐蝕介質(zhì),超過150易被氧化。中國zui常用的有R0=10Ω、R0=100ΩR0=1000Ω等幾種,它們的分度號分別為Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有R0=50ΩR0=100Ω兩種,它們的分度號為Cu50Cu100。其中Pt100 Cu50的應(yīng)用。

 
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