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    熱電偶/熱電阻的工作原理及相互間的區別

    2018-08-10

    熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一,熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應,即兩種不同成分的導體兩端連接成回路,如兩連接端溫度不同,則在回路內產生熱電流的物理現象。其優點是︰

    ?測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質的影響。

    ?測量範圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量,某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻),最高可達+2800℃(如鎢-錸)。

    ?構造簡單,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,外有保護套管,用起來非常方便。

    1.熱電偶測溫基本原理

    將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來,構成一個閉合回路,如圖2-1-1所示。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時,兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。

    2.熱電偶的種類及結構形成

    (1)熱電偶的種類

    常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、並有統一的標準分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用範圍或數量級上均不及標準化熱電偶,一般也沒有統一的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。

    標準化熱電偶我國從1988年1月1日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產,並指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。

    (2)熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩定地工作,對它的結構要求如下︰

    ?組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固;

    ?兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣,以防短路;

    ?補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;

    ?保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

    3.熱電偶冷端的溫度補償

    由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時),而測溫點到儀表的距離都很遠,為了節省熱電偶材料,降低成本,通常采用補償導線把熱電偶的冷端(自由端)延伸到溫度比較穩定的控制室內,連接到儀表端子上。必須指出,熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上,它本身並不能消除冷端溫度變化對測溫的影響,不起補償作用。因此,還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。

    在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配,極性不能接錯,補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

    熱電阻

    熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高,性能穩定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的,它不僅廣泛應用于工業測溫,而且被制成標準的基準儀。

    1、熱電阻測溫原理及材料

    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。熱電阻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。

    2、熱電阻的類型

    1)普通型熱電阻

    從熱電阻的測溫原理可知,被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的,因此,熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。

    2)鎧裝熱電阻

    鎧裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體,它的外徑一般為φ2--φ8mm,最小可達φmm。與普通型熱電阻相比,它有下列優點︰?體積小,內部無空氣隙,熱慣性上,測量滯後小;?機械性能好、耐振,抗沖擊;?能彎曲,便于安裝?使用壽命長。

    3)端面熱電阻

    端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制,緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比,能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度,適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

    4)隔爆型熱電阻

    隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒,把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內,生產現場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。

    熱電偶測溫原理及幾個基本定律

    兩種不同的導體或半導體兩端相接成閉合回路,當兩接點分別放在不同的溫度T和T0時,則在回路中就會產生熱電勢,形成回路電流。這稱賽貝克效應,也換稱熱電效應。產生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。熱電偶就是基于熱電效應而工作的。

    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攝氏度時,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!

    3. 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!

     

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