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熱電阻和熱電偶

一、溫度測量的基本概念

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度隻能通過物體随溫度變化的某些特性來間接測量,而用來量度物體溫度數值的标尺叫溫标。它規定了溫度的讀數起點(零點)和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫标有華氏溫标、攝氏溫标、熱力學溫标和國際實用溫标。

華氏溫标(oF)規定:在标準大氣壓下,冰的熔點為32度,水的沸點為212度,中間劃分180等分,每第分為報氏1度,符号為oF。

攝氏溫度(℃)規定:在标準大氣壓下,冰的熔點為0度,水的沸點為100度,中間劃分100等分,每第分為報氏1度,符号為℃。

熱力學溫标又稱開爾文溫标,或稱優良溫标,它規定分子運動停止時的溫度為優良零度,記符号為K。
國際實用溫标是一個國際協議性溫标,它與熱力學溫标相接近,而且複現精度高,使用方便。目前國際通用的溫标是國際溫标ITS-90。
國際溫标(ITS-90)簡介如下。

    溫度單位
    熱力學溫度(符号為T)是基本功手物理量,它的單位為開爾文(符号為K),定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16。由于以前的溫标定義中,使用了與273.15K(冰點)的差值來表示溫度,因此現在仍保留這各方法。
    根據定義,攝氏度的大小等于開爾文,溫差亦可以用攝氏度或開爾文來表示。
    國際溫标ITS-90同時定義國際開爾文溫度(符号為T90)和國際攝氏溫度(符号為t90) 國際溫标ITS-90的通則
    ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實際可測量的*高溫度。ITS-90是這樣制訂的,即在全量程中,任何溫度的T90值非常接近于溫标采納時T的*佳估計值,與直接測量熱力學溫度相比,T90的測量要方便得多,而且更為精密,并具有很高的複現性。 ITS-90的定義
    **溫區為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關系式來定義。
    第二溫區為3.0K到氖三相點(24.5661K)之間T90是用氦氣體溫度計來定義.
    第三溫區為平衡氫三相點(13.8033K)到銀的凝固點(961.78℃)之間,T90是由鉑電阻溫度計來定義.它使用一組規定的定義固定點及利用規定的内插法來分度.

    銀凝固點(961.78℃)以上的溫區,T90是按普朗克輻射定律來定義的,複現儀器為光學高溫計.

    二、溫度測量儀表的分類

    溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測溫儀表測溫儀表比較簡單、可靠,測量精度較高;但因測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交換,需要一定的時間才能達到熱平衡,所以存在測溫的延遲現象,同時受耐高溫材料的限制,不能應用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的,測溫元件不需與被測介質接觸,測溫範圍廣,不受測溫上限的限制,也不會破壞被測物體的溫度場,反應速度一般也比較快;但受到物體的發射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響,其測量誤差較大。

    三、熱電偶和熱電阻

    在接觸式溫度測量儀表熱電偶和熱電阻是工業上*常用的溫度檢測元件。

    (一)熱電偶

    1、熱電偶特點是:

      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℃均可連續測量,某些特殊熱電偶*低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻),*高可達+2800℃(如鎢-铼)。 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。

      2、熱電偶測量原理

      熱電偶是一種感溫元件, 它能将溫度信号轉換成熱電勢信号, 通過電氣測量儀表的配合, 就能測量出被測的溫度。熱電偶測溫的基本原理是熱電效應。在由兩種不同材料的導體 A 和 B 所組成的閉合回路中 , 當 A 和 B 的兩個接點處于不同溫度 T 和 To時, 在回路中就會産生熱電勢。這就是所謂的塞貝克效應。導體 A 和 B 稱為熱電極。溫度較高的一端 (T 〉叫工作端 ( 通常焊接在一起 );溫度較低的一端 (To 〉叫自由端 ( 通常處于某個恒定的溫度下〉。根據熱電勢與溫度函數關系。可制成熱電偶分度表。分度表是在自由端溫度 To=00C 的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。
      在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時, 隻要該材料兩個接點的溫度相同, 熱電偶所産生的熱電勢将保持不變,即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此, 在熱電偶測溫時, 可接入測量儀表, 測得熱電勢後, 即可知道被測介質的溫度。

      3、熱電偶的種類及結構形成

      (1)熱電偶的種類

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

      (2)熱電偶的材料

      從理論上講, 任何兩種導體都可以配制成熱電偶, 但實際上并不是所有材料都能制作熱電偶, 故對熱電極材料必須滿足以下幾點:

        熱電偶材料受溫度作用後能産生較高的熱電勢, 熱電勢和溫度之間的關系*好呈線性或近似線性的單值函數關系; 能測量較高的溫度, 并在較寬的溫度範國内應用, 經長期使用後, 物理、化學性能及熱電特性保持穩定; 要求材料的電阻溫度系數要小, 電阻率高, 導電性能好, 熱容量要小; 複現性要好, 便于大批生産和互換, 便于制定統一的分度表; 機械性能好, 材質均勻; 資源豐富, 價格便宜。

        (3)為了保證熱電偶可靠、穩定地工作,對熱電偶的結構要求如下:
        ① 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固;
        ② 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣,以防短路;
        ③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
        ④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

        4、熱電偶的分度号

        标準化熱電偶,按IEC國際标準生産。熱電偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶,N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。

        S分度号的特點是抗氧化性能強,宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用,長期使用溫度1400℃,短期1600℃。在所有熱電偶中,S分度号的**度等級*高,通常用作标準熱電偶;
        R分度号與S分度号相比除熱電動勢大15%左右,其它性能幾乎完全相同;
        B分度号在室溫下熱電動勢極小,故在測量時一般不用補償導線。它的長期使用溫度為1600℃,短期1800℃。可在氧化性或中性氣氛中使用,也可在真空條件下短期使用。
        N分度号的特點是1300℃下高溫抗氧化能力強,熱電動勢的長期穩定性及短期熱循環的複現性好,耐核輻照及耐低溫性能也好,可以部分代替S分度号熱電偶;
        K分度号的特點是抗氧化性能強,宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用,長期使用溫度1000℃,短期1200℃。在所有熱電偶中使用*廣泛;
        E分度号的特點是在常用熱電偶中,其熱電動勢*大,即靈敏度*高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用,使用溫度0-800℃;$vme
        J分度号的特點是既可用于氧化性氣氛(使用溫度上限750℃),也可用于還原性氣氛(使用溫度上限950℃),并且耐H2及CO氣體腐蝕,多用于煉油及化工;
        T分度号的特點是在所有廉金屬熱電偶中**度等級*高,通常用來測量300℃以下的溫度。

        5、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(特别是采用貴金屬時),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内,連接到 儀表端子上。必須指出,熱電偶補償導線的作用隻起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上,它本身并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号相配,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℃。

          冷端溫度補償器的型号應與熱電偶的型号相符,并在規定溫度範圍内使用; 冷端溫度補償器與熱電偶連接時極性不能接錯; 根據補償器的平衡點溫度調整儀表起始點,使指針批示在平衡點溫度; 具有自動補償機構的顯示儀表不安裝補償器; 補償器必須定期檢查和檢定.

          (二)熱電阻
          熱電阻是中低溫區*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**度是*高的,它不僅廣泛應用于工業測溫,而且被制成标準的基準儀。

          1.熱電阻測溫原理及材料

          熱電阻是利用金屬導體或半導體有溫度變化時本身電阻也随着發生變化的特性來測量溫度的,熱電阻的受熱部分(感溫元件)是用細金屬絲均勻地繞在絕緣材料作成的骨架上或通過激光濺射工藝在基片形成。當被測介質有溫度梯度時,則所測得的溫度是感溫元件所在範圍内介質層的平均溫度。熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應用*多的是鉑和銅,此外,現在已開始采用甸、鎳、錳和铑等材料制造熱電阻。

          2.熱電阻的結構

          (1)铠裝熱電阻 铠裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不鏽鋼套管組合而成的堅實體,它的外徑一般為φ2~φ8mm。 與普通型熱電阻相比,它有下列優點:

            體積小,内部無空氣隙,熱慣性上,測量滞後小; 機械性能好、耐振,抗沖擊; 能彎曲,便于安裝 使用壽命長。

            (2)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,能更正确和快速地反映被測端面的實際溫度,适用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。
            (3)隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻可用于區内具有爆炸危險場所的溫度測量。 隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒,把其外殼内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内,生産現場不會引超爆炸。

            3.熱電阻測溫系統的組成

            熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。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線電阻的變化會給溫度測量帶來影響,引起連接導線電阻的變化主要有:導線長度的變化,導線接頭處接觸電阻的變化,重接線引起的電阻變化,還有環境溫度的變化以及測量線路中寄生電勢等。

            熱電阻的引出線方式有3種:即2線制、3線制、4線制。

              2線制熱電阻配線簡單,但要帶進引線電阻的附加誤差。因此不适用制造A級精度的熱電阻,且在使用時引線及導線都不宜過長。 3線制可以消除引線電阻的影響,測量精度高于2線制。作為過程檢測元件,其應用*廣。 4線制不僅可以消除引線電阻的影響,而且在連接導線阻值相同時,還可以消除該電阻的影響。在高精度測量時,要采用4線制。

              (三)如何選擇熱電偶和熱電阻

              選擇熱電偶和熱電阻,應從以下幾方面考慮

                根據測溫範圍選擇:500℃以上一般選擇熱電偶,500℃以下一般選擇熱電阻; 根據測量精度選擇:對精度要求較高選擇熱電阻,對精度要求不高選擇熱電偶; 根據測量範圍選擇:熱電偶所測量的一般指“點”溫,熱電阻所測量的一般指空間平均溫度。