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    熱電偶,熱電阻工作原理

    2018-10-31   11:19:27   來自:tiankang

     安徽天康生產銷售熱電阻、熱電偶、雙金屬溫度計、溫度變送器、壓力表、壓力變送器、磁翻板液位計、超聲波液位計、液位變送器、雷達物位計、儀表管閥件、溫度、壓力、流量、液位現場等系列儀器儀表產品;電纜有:電力電纜、高溫電纜、耐油電纜、防腐電纜、硅橡膠電纜、行車電纜、橡套電纜、防水電纜、變頻電纜、控制電纜、計算機電纜、交聯電力電纜、鋼芯鋁絞線、阻燃電纜、伴熱電纜、鐵路信號電纜、防火電纜、船用電纜、補償導線、補償電纜、電纜橋架等系列電線電纜等。

      工作原理編輯熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體

    熱電阻(圖2)

    熱電阻(圖2)的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數。熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應用最多的是鉑和銅,現在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻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二次儀表上。


      主要種類編輯

      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。

      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:1、體積小,內部無空氣隙,熱慣性上,測量滯后小;2、機械性能好、耐振,抗沖擊;3、能彎曲,便于安裝;4、使用壽命長。

      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。

      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。

      測溫原理編輯熱電阻的測溫原理與熱電偶的測溫原理不同的是,

    熱電阻(圖3)

    熱電阻(圖3)熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的,即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此,只要測量出感溫熱電阻的阻值變化,就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示,即Rt=Rt0[1+α(t-t0)]式中,Rt為溫度t時的阻值;Rt0為溫度t0(通常t0=0℃)時對應電阻值;α為溫度系數。半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為Rt=AeB/t式中Rt為溫度為t時的阻值;A、B取決于半導體材料的結構的常數。相比較而言,熱敏電阻的溫度系數更大,常溫下的電阻值更高(通常在數千歐以上),但互換性較差,非線性嚴重,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℃范圍內的溫度測量,其特點是測量準確、穩定性好、性能可靠,在程控制中的應用極其廣泛。工業上常用金屬熱電阻從電阻隨溫度的變化來看,大部分金屬導體都有這個性質,但并不是都能用作測溫熱電阻,作為熱電阻的金屬材料一般要求:盡可能大而且穩定的溫度系數、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具有穩定的化學物理性能、材料的復制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數關系(最好呈線性關系)。


      實際應用編輯目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅:鉑電阻精度高,

    熱電阻(圖4)

    熱電阻(圖4)適用于中性和氧化性介質,穩定性好,具有一定的非線性,溫度越高電阻變化率越小;銅電阻在測溫范圍內電阻值和溫度呈線性關系,溫度線數大,適用于無腐蝕介質,超過150易被氧化。中國最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種,它們的分度號分別為Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應用最為廣泛。


      接線方式編輯熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件,

    熱電阻(圖5)

    熱電阻(圖5)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。 [1] 目前熱電阻的引線主要有三種方式: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。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。


      安裝方法編輯

      安裝要求對熱電阻的安裝,應注意有利于測溫準確,安全可靠及維修方便,

    熱電阻(圖6)

    熱電阻(圖6)而且不影響設備運行和生產操作。要滿足以上要求,在選擇對熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點:1、為了使熱電阻的測量端與被測介質之間有充分的熱交換,應合理選擇測點位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設備的死角附近裝設熱電阻。2、帶有保護套管的熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測量誤差,熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度:1)對于測量管道中心流體溫度的熱電阻,一般都應將其測量端插入到管道中心處(垂直安裝或傾斜安裝)。如被測流體的管道直徑是200毫米,那熱電阻插入深度應選擇100毫米;2)對于高溫高壓和高速流體的溫度測量(如主蒸汽溫度),為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發生斷裂,可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電阻。淺插式的熱電阻保護套管,其插入主蒸汽管道的深度應不小于75mm;熱套式熱電阻的標準插入深度為100mm。3)假如需要測量是煙道內煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電阻插入深度1m即可。4)當測量原件插入深度超過1m時,應盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護套管。


      安裝注意1、熱電阻應盡量垂直裝在水平或垂直管道上,

    熱電阻(圖7)

    熱電阻(圖7)安裝時應有保護套管,以方便檢修和更換。2、測量管道內溫度時,元件長度應在管道中心線上(即保護管插入深度應為管徑的一半)。3、溫度動圈表安裝時,開孔尺寸要合適,安裝要美觀大方。4、高溫區使用耐高溫電纜或耐高溫補償線。5、要根據不同的溫度選擇不同的測量元件。一般測量溫度小于400℃時選擇熱電阻。6、接線要合理美觀,表針指示要正確。


      主要區別編輯熱電偶與熱電阻均屬于溫度測量中的接觸式測溫,

    熱電阻(圖8)

    熱電阻(圖8)盡管其作用相同都是測量物體的溫度,但是他們的原理與特點卻不盡相同。熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫,他的主要特點就是測溫范圍寬,性能比較穩定,同時結構簡單,動態響應好,更能夠遠傳4-20mA電信號,便于自動控制和集中控制。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應。將兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路,當兩個接點處的溫度不同時,回路中將產生熱電勢,這種現象稱為熱電效應,又稱為塞貝克效應。閉合回路中產生的熱電勢有兩種電勢組成;溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一導體的兩端因溫度不同而產生的電勢,不同的導體具有不同的電子密度,所以他們產生的電勢也不相同,而接觸電勢顧名思義就是指兩種不同的導體相接觸時,因為他們的電子密度不同所以產生一定的電子擴散,當他們達到一定的平衡后所形成的電勢,接觸電勢的大小取決于兩種不同導體的材料性質以及他們接觸點的溫度。目前國際上應用的熱電偶具有一個標準規范,國際上規定熱電偶分為八個不同的分度,分別為B,R,S,K,N,E,J和T,其測量溫度的最低可測零下270℃,最高可達1800℃,其中B,R,S屬于鉑系列的熱電偶,由于鉑屬于貴重金屬,所以他們又被稱為貴金屬熱電偶而剩下的幾個則稱為廉價金屬熱電偶。熱電偶的結構有兩種,普通型和鎧裝型。普通性熱電偶一般由熱電極,

    熱電阻(圖9)

    熱電阻(圖9)絕緣管,保護套管和接線盒等部分組成,而鎧裝型熱電偶則是將熱電偶絲,絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后,經過拉伸加工而成的一種堅實的組合體。但是熱電偶的電信號卻需要一種特殊的導線來進行傳遞,這種導線我們稱為補償導線。不同的熱電偶需要不同的補償導線,其主要作用就是與熱電偶連接,使熱電偶的參比端遠離電源,從而使參比端溫度穩定。補償導線又分為補償型和延長型兩種,延長導線的化學成分與被補償的熱電偶相同,但是實際中,延長型的導線也并不是用和熱電偶相同材質的金屬,一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導線代替。補償導線的與熱電偶的連線一般都是很明了,熱電偶的正極連接補償導線的紅色線,而負極則連接剩下的顏色。一般的補償導線的材質大部分都采用銅鎳合金。熱電阻不僅廣泛應用于工業測溫,而且被制成標準的基準儀。但是由于他的測溫范圍使他的應用受到了一定的限制,熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優點也很多,也可以遠傳電信號,靈敏度高,穩定性強,互換性以及準確性都比較好,但是需要電源激勵,不能夠瞬時測量溫度的變化。工業用熱電阻一般采用Pt100,Pt10,Cu50,Cu100,鉑熱電阻的測溫的范圍一般為零下200-800℃,銅熱電阻為零下40到140℃。熱電阻和熱電偶一樣的區分類型,但是他卻不需要補償導線,而且比熱電偶便宜。鉑熱電阻的安裝形式很多,有固定螺紋安裝,活動螺紋安裝,固定法蘭安裝,活動法蘭安裝,活動管接頭安裝,直行管接頭安裝等等。熱電阻與熱電偶的選擇最大的區別就是溫度范圍的選擇,熱電阻是測量低溫的溫度傳感器,

    熱電阻(圖10)

    熱電阻(圖10)一般測量溫度在-200~800℃,而熱電偶是測量中高溫的溫度傳感器,一般測量溫度在400~1800℃,在選擇時如果測量溫度在200℃左右就應該選擇熱電阻測量,如果測量溫度在600℃就應該選擇K型熱電偶,如果測量溫度在1200~1600℃就應該選擇S型或者B型熱電偶。熱電阻與熱電偶相比有以下特點:1、同樣溫度下輸出信號較大,易于測量。2、測電阻必須借助外加電源。3、熱電阻感溫部分尺寸較大,而熱電偶工作端是很小的焊點,因而熱電阻測溫的反應速度比熱電偶慢;4、同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測溫上限高。熱電偶和熱電阻區別:第一、信號的性質,熱電阻本身是電阻,溫度的變化,

    熱電阻(圖11)

    熱電阻(圖11)使電阻產生正的或者是負的阻值變化;而熱電偶是產生感應電壓的變化,他隨溫度的改變而改變..雖然都是接觸式測溫儀表,但它們的測溫范圍不同,熱電偶使用在溫度較高的環境,如鉑銠30---鉑銠6(B型)測量范圍為300度~~1600度,短期可測1800度。S型測一20~~1300(短期1600),K型測一50~~1000,短期1200).XK型一50~~600(800),E型一40~~800(900).還有J型,T型等。這類儀表一般用于500度以上的較高溫度,低溫區時輸出熱電勢很,當電勢小時,對抗干擾措施和二次表和要求很高,否則測量不準,還有,在較低的溫度區域,冷端溫度的變化和環境溫度的變化所引起的相對誤差就顯得很突出,不易得到全補償。這時在中低溫度時,一般使用熱電阻測溫范圍為一200~~500,甚至還可測更低的溫度(如用碳電阻可測到1K左右的低溫).現在正常使用鉑熱電阻Pt100,(也有Pt50、100和50代表熱電阻在0度時的阻值。在舊分度號中用BA1,BA2來表示,BA1在0度時阻值為46歐姆,在工業上也有用銅電阻,分度號為CU50和CU100,但測溫范圍較小,在一50~~150之間,在一些特殊場合還有銦電阻、錳電阻等)。第二、工作中的現場判斷熱電偶有正負極、補償導線也有正負之分,首先保證連接,配置確.在運行中。常見的有短路,斷路,接觸不良(有萬用表可判斷)和變質(根據表面顏色來鑒別)。檢查時,要使熱電偶與二次表分開,用工具短接二次表上的補償線,表指示室溫再短接熱電偶接線端子,表批示熱電偶所在的環境溫度(不是,補償線有故障),再用萬用表mv檔大體估量熱電偶的熱電勢(如正常,請檢查工藝)。熱電阻短路和斷路用萬用表可判斷,在運行中,懷疑短路,只要將電阻端拆下一個線頭看顯示儀表,如到最大,熱電阻短路回零,導線短路,保證正常連接和配置時,表值顯示低或不穩,保護管可能性進水了顯示最大,熱電阻斷路顯示最小短路。第三、從材料上分,熱阻是一種金屬材料,具有溫度敏感變化的金屬材料,熱電偶是雙金屬材料,既兩種不同的金屬,由于溫度的變化,在兩個不同金屬絲的兩端產生電勢差。第四、兩種傳感器檢測的溫度范圍不一樣,熱阻一般檢測0-150度溫度范圍(當然可以檢測負溫度),熱電偶可檢測0-1000度的溫度范圍(甚至更高)所以,前者是低溫檢測,后者是高溫檢測。 [1]


      測量方法編輯熱電阻溫度計的原理是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化這一特性。

    熱電阻(圖12)

    熱電阻(圖12)熱電阻溫度計的主要優點有:測量精度高,復現性好;有較大的測量范圍,尤其是在低溫方面;易于使用在自動測量中,也便于遠距離測量。同樣,熱電阻也有缺陷,在高溫(大于850℃)測量中準確性不好;易于氧化和不耐腐蝕。目前,用于熱電阻的材料主要有鉑、銅、鎳等,采用這些材料主要是它們在常用溫度段的溫度與電阻的比值是線性關系,我們這里主要介紹鉑電阻溫度計。鉑是一種貴金屬,它的物理化學性能很穩定,尤其是耐氧化能力很強,它易于提純,有良好的工藝性,可以制成極細的鉑絲,與銅,鎳等金屬相比,有較高的電阻率,復現性高,是一種比較理想的熱電阻材料,缺點是電阻溫度系數較小,在還原介質中工作易變脆,價格也較貴。鉑的純度通常用電阻比來表示: W(100)=R100/R0R100表示100℃時的電阻值;R0表示0℃時的電阻值根據IEC標準,采用W(100)=1.3850 初始電阻值為R0=100Ω(R0=10Ω)的鉑電阻為工業用標準鉑電阻,R0=10Ω的鉑電阻溫度計的阻絲較粗,主要應用于測量600℃以上的溫度。鉑電阻的電阻與溫度方程為一分段方程:Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100℃)t3] t 表示在-200~0℃Rt=R0(1+At+Bt2) t表示在0~850℃解此方程,則可根據電阻值已知溫度值,但實際工作中,可以查熱電阻分度表來根據電阻值確定溫度值。根據標準規定,鉑熱電阻分為A級和B級,A級測溫允許誤差±(0.15℃+0.002|t|), B級測溫允許誤差±(0.3℃+0.005|t|)?,F場使用的熱電阻一般都是鎧裝熱電阻,它是由熱電阻體、絕緣材料、保護管組成,熱電阻體和保護管焊接一起,中間填充絕緣材料,這樣能夠很好的保護熱電阻體,耐沖擊,耐震,耐腐蝕。三線制鉑熱電阻測量方法:鉑熱電阻有兩線制,三線制,四線制幾種,兩線制在測量中誤差較大,已不使用,現在工業用一般是三線制的,實驗室用一般為四線制。這里主要介紹下三線制鉑熱電阻的接線。三線制鉑熱電阻是在電阻的a端并聯一個c端,從而實現電阻引出a,b,c三個接線端子,這樣,由b導線引入的測量導線本身的電阻,可以由c導線來補償,使引線電阻不隨溫度變化而引入的引線電阻誤差的影響減小很多。三線制鉑熱電阻,在二次儀表中,均有可變阻值的電橋,根據所配合的鉑熱電阻的量程不同,可以對二次儀表的電橋中的鉑熱電阻進行微調,能進行更精確的測量。熱電阻溫度計分度新方法:工業鉑電阻溫度計是一種被廣泛使用的測溫儀器。長期以來,國內外相關標準或技術規范中普遍采用CVD方程的計算方法對其進行檢定分度。但采用CVD方程檢定分度的工業鉑電阻溫度計準確度不高、穩定性低、不確定度較大,無法作為傳遞標準使用。為此,多數工業測溫領域或要求不高的實驗室只能采用精度較高的標準鉑電阻溫度計作為溯源傳遞標準,但實際工業測溫領域由于各種條件限制,標準鉑電阻溫度計無法使用,使得溫度量值傳遞和溯源在這些地方無法實現,不能開展實際的計量校準工作。對工業鉑熱電阻溫度計進行檢定分度的可行性,并與普遍采用的CVD方程給出的溫度—電阻關系計算結果相比較,進而給出二者存在的差異,探討建立精密工業鉑電阻溫度計作為傳遞標準的途徑與方法。通過對不同型號、不同廠家制造的多支工業鉑熱電阻在不同溫區分別開展研究和分析,給出每支溫度計的實驗結果、數據曲線及采用兩種不同方法分度所引起的測量誤差。實驗證明,ITS-1990國際溫標的內插方法用于工業鉑熱電阻溫度計是可行的,與CVD方程用于工業鉑電阻檢定分度的計算方法相比,具有較好的準確性和一致性。此前,意大利和加拿大的國家計量技術機構進行了采用國際溫標內插公式研究工業鉑電阻分度方法的工作。提高工業電阻測溫準確性和穩定性的傳統手段都在元件純度、封裝技術、制作流程上下功夫;則從計算方法上給出了新思路,為精密鉑電阻和工業鉑電阻在溫度量值傳遞和溯源體系的完善奠定了基礎,可廣泛應用于工業鉑電阻的測溫領域。 [2]


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