熱電偶、熱電阻工作原理及特點

ID:109770 · 發表于 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

□ 熱電偶工作原理
將兩種不同的金屬導體焊接在一起，構成閉合回路，如在焊接端（即測量端）加熱產生溫差，則在回路中就會產生熱電動勢，此種現象稱為塞貝克效應（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。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體，稱為熱電偶。
熱電偶產生的熱電動勢，其大小僅與熱電極材料及兩端溫差有關，與熱電極長度、直徑無關。

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

熱電偶

熱電阻

熱電偶同其它種溫度計相比具有如下特點：
a、優點
·熱電偶可將溫度量轉換成電量進行檢測，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，
·結構簡單，制造容易，
·價格便宜，
·惰性小，
·準確度高，
·測溫范圍廣，
·能適應各種測量對象的要求（特定部位或狹小場所），如點溫和面溫的測量，
·適于遠距離測量和控制。
b、缺點
·測量準確度難以超過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，因受被測介質影響或氣氛腐蝕作用（如氧化、還原）等而發生劣化。

熱電阻同其它種溫度計相比具有如下特點：
a、優點
·準確度高。在所有常用溫度計中，準確度最高，可達1mk。
·輸出信號大，靈敏度高。如在0℃用Pt100鉑熱電阻測溫，當溫度變化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量級。
·測溫范圍廣，穩定性好。在振動小而適宜的環境下，可在很長時間內保持0.1℃以下的穩定性。
·無需參考點。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
·采用細金屬絲的熱電阻元件抗機械沖擊與振動性能差。
·元件結構復雜，制造困難大，尺寸較大，因此，熱響應時間長�！げ贿m宜測量體積狹小和溫度瞬變區域。

ID:109770 · 發表于 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。大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
熱敏電阻
對熱敏感的半導體電阻。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，按照溫度系數不同分為正溫度系數熱敏電阻器（PTC）和負溫度系數熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現出不同的電阻值。正溫度系數熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件
金屬熱電阻與熱敏電阻的區別：
熱敏電阻一般是半導體材料，半導體材料的導電性能也就是電阻率受光、熱等因素的影響一般很劇烈的，專業點的說法就是，光和熱可以作為半導體的激發源，半導體受光，或者熱的作用，其載流子的濃度也能會增加好幾個數量級，導電性能或者阻抗發生很大變化。反過來可以用這些效應來確定光或者溫度的參數。金屬當熱電阻的意思是，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算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業用熱電阻安裝在生產現場，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，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質和長度的因素有關，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線電阻引起的測量誤差。這是因為測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境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導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：基于澤貝克效應在電路中產生電動勢的一對不同材料的導電體。定義2：一端結合在一起的一對不同材料的導體，并應用其熱電效應實現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導體組成閉合回路，當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(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質導體為熱電極，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。根據熱電動勢與溫度的函數關系，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系。若測量時，冷端的（環境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。
　　附：熱電偶冷端補償計算方法：從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應毫伏值，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，均質導體定律
　　由同一種均質材料（導體或半導體）兩端焊接組成閉合回路，無論導體截面如何以及溫度如何分布，將不產生接觸電勢，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導體或半導體構成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會產生附加熱電勢。
　　2，中間導體定律
　　在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），只要中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這就是中間導體定律。
　　應用：依據中間導體定律，在熱電偶實際測溫應用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經連接導線與顯示儀表連接構成測溫系統。
　　有人擔心用銅導線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值，在導線與熱電偶連接處產生的接觸電勢會使測量產生附加誤差。根據這個定律，是沒有這個誤差的！
　　3，中間溫度定律
　　熱電偶回路兩接點（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時的熱電勢的代數和。Tn稱中間溫度。
　　應用：由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關系，當冷端溫度不為0℃時，不能利用已知回路實際熱電勢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行修正。初學者經常不按中間溫度定律來修正！
　　4，參考電極定律
　　這個定律是專業人士才研究、關注的，一般生產、使用環節的人士不太了解，簡單說明就是：用高純度鉑絲做標準電極，假設鎳鉻-鎳硅熱電偶的正負極分別和標準電極配對，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

熱電偶、熱電阻工作原理及特點