热电偶与热电阻的简单知识_图文..pdf

《热电偶与热电阻的简单知识_图文..pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热电偶与热电阻的简单知识_图文..pdf（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、热电阻与热电偶 发表时间 :2005-11-15 一、温度测量的基本概念 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性 来间接测量 ,而用来量 度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零 点和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、 热力学温标和国际实用温标。 华氏温标 (oF 规定:在标准大气压下 ,冰的熔点为 32度,水的沸点为 212度,中间 划分 180等分, 每第分为报氏 1度,符号为 oF 。 摄氏温度 (规定 :在标准大气压下 ,冰的熔点为 0度,水的沸点为 100度,中间划 分 100等分, 每第分为报氏 1 度,符

2、号为。 热力学温标又称开尔文 温标, 或 称 绝对 温标,它规定分 子运动停止 时的温度 为 绝对 零度, 记 符号为 K 。 国际实用温标是 一个 国际 协议 性温标 ,它 与 热力学 温标 相 接 近 ,而 且复现精 度 高 , 使 用 方便 。目前国 际通用的温标是国际温标 ITS-90。 国际温标 (ITS-90 简介如 下。 温度单位 热力学温度 (符号为 T 是基本 功手 物理量 ,它的单位为开尔 文 (符号为 K ,定 义 为水 三相 点的热力学 温度的 1/273.16。 由于以 前的温标定 义 中, 使 用了 与 273.15K (冰点的 差 值来表 示 温度, 因此现 在

3、仍保 留这各方法 。 根据 定 义 ,摄氏度的大 小 等 于 开尔 文 ,温 差亦可以 用摄氏度 或 开尔 文 来 表 示 。 国际温标 ITS-90同 时定 义 国际开尔 文 温度 (符号为 T90 和国际摄氏温度 (符 号为 t90 国际温标 ITS-90的通 则 ITS-90 由 0.65K 向 上 到普朗克辐射 定 律使 用单 色辐射 实际 可 测量的 最高 温度。 ITS-90是 这样制订 的, 即 在 全 量程中 , 任何 温度的 T90 值 非常 接 近于 温 标 采纳 时 T 的 最佳估计 值, 与直 接测量热力学温度相比 , T90 的测量 要方便 得 多,而 且更 为 精密

4、 , 并具 有 很高 的 复现 性。 ITS-90 的定 义 第 一 温 区 为 0.65K 到 5.00K 之 间 , T90由 3He 和 4He 的 蒸 气压 与 温度的 关系式 来定 义 。 第 二 温 区 为 3.0K 到氖三相 点 (24.5661K之 间 T90 是用 氦 气体温度 计 来定 义 . 第 三 温 区 为 平衡氢三相 点 (13.8033K 到 银 的 凝固 点 (961.78 之 间 ,T90 是 由 铂电阻 温度 计 来定 义 . 它 使 用 一 组 规定的定 义 固 定点 及利 用规定的 内 插 法 来分度 . 银凝固 点 (961.78 以 上的温 区 ,T

5、90是 按 普朗克辐射 定 律 来定 义 的 , 复 现 仪器 为 光 学 高 温 计 . 二、温度测量仪表的分类 温度测量 仪 表 按 测温 方式可 分为接 触 式 和 非 接 触 式 两 大 类 。接 触 式 测温 仪 表测温 仪 表 比 较 简 单、 可 靠 , 测量 精 度较 高 ; 但 因 测温 元件 与 被 测 介 质需 要 进行充 分的热 交换 , 需 要一 定的时间 才 能 达 到 热 平衡 , 所 以 存 在测温的 延迟 现 象 , 同 时 受耐 高 温 材料 的 限 制 , 不 能 应 用 于很高 的温度测 量。 非 接 触 式 仪 表测温是通过 热 辐射 原 理来测量温度

6、的 ,测温 元件不需 与 被 测 介 质 接 触 ,测温 范围广 , 不受 测温上 限 的 限 制 , 也不会破 坏被 测物体的温度 场 , 反应速 度 一 般也 比 较 快;但受 到 物体的发 射 率 、测量 距离 、 烟尘 和水气 等 外界 因 素 的 影响 , 其 测量 误 差 较大。 三、热电偶和热电阻 在接 触 式 温度测量 仪 表热 电偶 和热 电阻 是 工业 上 最常 用的温度 检 测 元 件 。 (一热电偶 1、热 电偶 特点是: 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

7、 -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 。 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 。 2、热 电偶 测量 原 理 热 电偶 是 一 种 感 温 元件 , 它能 将 温度 信 号 转 换成 热 电 势信 号 , 通过 电 气测量 仪 表的 配合 , 就 能测量 出 被 测的温度。热 电偶 测温的基本 原 理是热 电 效 应 。在 由 两种不 同

8、 材料 的 导 体 A 和 B 所组成 的 闭合回路 中 , 当 A 和 B 的 两 个 接点 处 于 不 同 温度 T 和 To 时 , 在 回路 中 就 会 产生 热 电 势 。 这 就 是 所 谓 的 塞贝 克 效 应 。 导 体 A 和 B 称为热 电 极 。温度较 高 的 一 端 (T 叫 工 作端 ( 通 常 焊 接在 一 起 ; 温度较 低 的 一 端 (To 叫 自 由 端 ( 通 常 处 于 某 个 恒 定的温度下 。 根据 热 电 势 与 温度 函 数 关系 。 可制 成 热 电偶 分度 表。 分度表是在 自 由 端 温度 To=00C 的 条 件 下得 到 的。 不 同

9、的热 电偶 具 有 不 同 的分度表。 在热 电偶 回路 中接 入 第 三 种金属材料 时 , 只 要 该 材料两 个 接点的温度 相同 , 热 电偶所 产生 的热 电 势将 保 持 不 变, 即 不受 第 三 种金属 接 入回路 中 的 影响 。 因此 , 在热 电偶 测温时 , 可 接 入 测量 仪 表 , 测得热 电 势 后 , 即可 知 道 被 测 介 质 的温度。 3、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 。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

10、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。 (2热 电偶 的 材料 从 理 论 上 讲 , 任何 两种 导 体 都 可以 配 制 成 热 电偶 , 但 实际上 并 不 是 所 有 材料 都 能 制 作 热 电偶 , 故 对 热 电 极 材料 必须满足 以 下 几 点: 热 电偶材料受 温度 作 用 后 能 产生 较 高 的热 电 势 , 热 电 势 和温

11、度 之 间的 关系最 好呈线 性 或近 似线 性的单值 函 数 关系 ; 能测量较 高 的温度 , 并 在较 宽 的温度 范 国 内应 用 , 经长期 使 用 后 , 物 理、化学性能 及 热 电 特性 保 持稳 定 ; 要 求 材料 的 电阻 温度 系 数 要小 , 电阻 率 高 , 导 电 性能 好 , 热 容 量 要小 ; 复现 性 要 好 , 便于 大 批生产 和 互 换 , 便于制 定 统 一 的分度表 ; 机械 性能 好 , 材质均 匀 ; 资源丰富 , 价格 便 宜 。 (3为了 保 证 热 电偶 可 靠 、 稳 定 地 工 作 , 对 热 电偶 的 结 构 要 求 如 下: 组

12、成 热 电偶 的 两 个 热 电 极 的 焊 接 必须牢 固; 两 个 热 电 极彼 此之 间 应 很 好地 绝 缘 , 以 防短路 ; 补偿导线 与 热 电偶 自 由 端 的 连 接 要方便可 靠; 保 护套管应 能 保 证 热 电 极 与 有 害 介 质充 分 隔 离 。 4、热 电偶 的分度号 标准化热 电偶 , 按 IEC 国际标准 生产 。热 电偶 的分度号有 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

13、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 13

14、00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 ; $vme J 分度号的特点是 既

15、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。 5、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

16、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。 冷 端 温度 补

17、偿 器 的 型 号 应 与 热 电偶 的 型 号 相 符 , 并 在规定温度 范围 内 使 用 ; 冷 端 温度 补偿 器 与 热 电偶连 接时 极 性 不 能接 错 ; 根据 补偿 器 的 平衡 点温度 调整 仪 表起 始 点 , 使 指 针 批 示 在 平衡 点温 度 ; 具 有 自 动 补偿机 构 的 显 示 仪 表 不 安装 补偿 器 ; 补偿 器 必须 定 期 检 查 和 检 定 . (二热电阻 热 电阻 是中 低 温 区最常 用的 一 种 温度 检 测 器 。它的 主 要 特点是测量 精 度 高 , 性能 稳 定。 其 中 铂 热是 阻 的测量 精 确 度是 最高 的,它 不 仅

18、广 泛 应 用 于 工业 测温,而 且 被 制 成 标准的基准 仪 。 1. 热 电阻 测温 原 理 及材料 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 大 都 由 纯 金 属材料 制 成 ,目前 应 用 最 多的是 铂 和

19、 铜 , 此 外 , 现 在 已 开 始 采 用 甸 、 镍 、 锰 和 铑 等 材料 制 造 热 电阻 。 2. 热 电阻 的 结 构 (1 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 28mm 。 与普 通 型 热 电阻 相比 ,它有下 列优 点: 体 积 小 , 内 部无空 气 隙 ,热 惯 性上,测量 滞 后 小 ; 机械 性能 好 、 耐 振 , 抗冲 击 ; 能 弯曲 , 便于 安装 使 用 寿命 长 。 (2 端 面 热 电阻 端 面 热 电阻 感 温

20、 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。 (3 隔 爆 型 热 电阻 隔 爆 型 热 电阻 可 用 于区 内 具 有 爆炸危险 场所 的温度 测量。 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 。 3.

21、热 电阻 测温 系 统 的 组成 热 电阻 测温 系 统 一 般 由 热 电阻 、 连 接 导线 和 显 示 仪 表等 组成 。 从 热 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 线 电阻 的变化 会 给 温度测量 带 来 影 响 , 引 起 连 接 导线 电阻 的变化 主 要 有 :导线长 度的变化 , 导线 接 头 处 接 触电 阻 的变化 , 重 接 线 引 起的 电 阻 变化 , 还 有 环 境 温度的变化 以 及 测量 线路 中 寄 生 电 势 等。 热 电阻 的 引 出线 方式

22、 有 3种 :即 2线 制 、 3 线 制 、 4 线 制 。 2线 制 热 电阻 配线 简 单, 但 要 带 进 引 线 电阻 的 附加 误 差 。 因此 不 适 用 制 造 A 级 精 度的热 电阻 , 且 在 使 用时 引 线 及 导线都 不 宜 过 长 。 3线 制可以 消除引 线 电阻 的 影响 ,测量 精 度 高于 2 线 制 。 作 为过程 检 测 元件 , 其应 用 最 广 。 4线 制 不 仅 可以 消除引 线 电阻 的 影响 ,而 且 在 连 接 导线 阻 值 相同 时, 还 可以 消除 该 电阻 的 影响 。在 高精 度 测量时 , 要采 用 4 线 制 。 (三如何选择热电偶和热电阻 选 择 热 电偶 和热 电阻 , 应从 以 下 几 方 面考虑 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。