【導(dǎo)讀】在日常工作當(dāng)中經(jīng)常遇到使用溫度測(cè)量?jī)x表，熱電阻與熱電偶同為溫度測(cè)量?jī)x表，同一個(gè)測(cè)溫地點(diǎn)我們選擇熱電阻還是選擇熱電偶呢？今天我們來全面剖析一下。
01 熱電偶的結(jié)構(gòu)
熱電偶前端接合的形狀有 3 種類型，如下圖所示。可根據(jù)熱電偶的類型、 線徑、使用溫度，通過氣焊、對(duì)焊、電阻焊、電弧焊、銀焊等方法進(jìn)行接合。
在工業(yè)應(yīng)用中為了便于安裝及延長(zhǎng)熱電偶的使用壽命，通常使用外加套管的方式。套管一般分為保護(hù)管型和鎧裝型。
帶保護(hù)管的熱電偶是將熱電偶的芯線以及絕緣管插入保護(hù)管使用的熱電偶。保護(hù)管在防止芯線氧化、腐蝕的同時(shí)，還可以保持熱電偶的機(jī)械強(qiáng)度。保護(hù)管有多種類型，常用的如下表所示。
02 鎧裝型熱電偶
鎧裝熱電偶的測(cè)量原理與帶保護(hù)管的熱電偶相同。它使用纖細(xì)的金屬管 ( 稱為套管)作為上圖中絕緣管 (陶瓷) 的替代品，并使用氧化鎂 (MgO)等粉末作為絕緣材料。
由于其外徑較細(xì)且容易彎曲， 所以最適合用來測(cè)量物體背面與狹小空隙等處的溫度。此外，與帶保護(hù)管的熱電偶相比，其反應(yīng)速度更為靈敏。
鎧裝熱電偶的套管外徑范圍較廣，可以拉長(zhǎng)加工為 8.0mmф到 0.5mmф的各種尺寸。芯線拉伸得越細(xì)，常用溫度上限越低。
如 K型熱電偶，套管外徑 0.5mmф的常用溫度上限是 600℃，8.0mmф的是 1050℃。
熱電阻的結(jié)構(gòu)
如下圖所示， 熱電阻的元件形狀有 3 種，目前陶瓷封裝型占主導(dǎo)地位。陶瓷封裝型用于帶保護(hù)管的熱電阻以及鎧裝熱電阻。
陶瓷與玻璃封裝型的鉑線裸線直徑為幾十微米左右，云母板型的約為 0.05mm。引線則使用比元件線粗很多的鉑合金線。
03 熱電阻元件的種類
帶保護(hù)管的熱電阻圖例
鎧裝熱電阻
04 區(qū)別
1.雖然都是接觸式測(cè)溫儀表，但它們的測(cè)溫范圍不同。熱電偶使用在溫度較高的環(huán)境，因它們?cè)谥校蜏貐^(qū)時(shí)輸出熱電勢(shì)很小 (查表可以看一下 )，當(dāng)電勢(shì)小時(shí)，對(duì)抗干擾措施和二次表和要求很高，否則測(cè)量不準(zhǔn)，還有，在較低的溫度區(qū)域， 冷端溫度的變化和環(huán)境溫度的變化所引起的相對(duì)誤差就顯得很突出，不易得到全補(bǔ)償。
這時(shí)在中低溫度時(shí)，一般使用熱電阻測(cè)溫范圍為200~500，甚至還可測(cè)更低的溫度 (如用碳電阻可測(cè)到 1K 左右的低溫 ).現(xiàn)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(shí)的阻值，在舊分度號(hào)中用BA1，BA2來表示，BA1 在0度時(shí)阻值為46歐姆，在工業(yè)上也有用銅電阻，分度號(hào)為CU50和CU100，但測(cè)溫范圍較小，在50~150之間，在一些特殊場(chǎng)合還有銦電阻，錳電阻等)
2.熱電偶測(cè)量溫度的基本原理是熱電效應(yīng)， 二次表是一個(gè)檢伏計(jì)或?yàn)榱颂岣呔葧r(shí)使用電子電位差計(jì)。電阻是基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性而工作的， 二次表是一個(gè)不平衡電橋。
3.由熱電偶測(cè)溫原理可知，只有在其冷端溫度恒定時(shí)，被測(cè)溫度才與熱電勢(shì)成單值函數(shù)關(guān)系 .在實(shí)際使用中，就用一種熱電特性與相應(yīng)熱電偶特性相似的廉價(jià)的連接導(dǎo)線 (也稱為補(bǔ)償導(dǎo)線)，使熱電偶冷端引伸到溫度相對(duì)恒定的地方 (最好為0度)，如用銅--康銅做補(bǔ)償導(dǎo)線來引申鎳鉻 ---鎳硅熱電阻 。因此，熱電偶到二次表延長(zhǎng)線是兩根。
熱電阻與二次表之間是用銅導(dǎo)線連接的，為了減小環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差，一般均采用三線制接法， 其中有兩根導(dǎo)線將熱電阻串聯(lián)于相鄰的兩個(gè)橋臂上，另一根導(dǎo)線是引來電源 ，使用時(shí)要求每根導(dǎo)線的電阻值與調(diào)整電阻之和都保證為5 歐姆( ±0.01)。
05 工作中的現(xiàn)場(chǎng)判斷
1.熱電偶：熱電偶有正負(fù)極，補(bǔ)償導(dǎo)線也有正負(fù)之分。首先保證連接， 配置確。在運(yùn)行中，常見的有短路、斷路、接觸不良 (有萬用表可判斷 )和變質(zhì) (根據(jù)表面顏色來鑒別)，檢查時(shí)，要使熱電偶與二次表分開。
我在實(shí)踐中判斷的方法，供大家參考：用工具短接二次表上的補(bǔ)償線，表指示室溫 (不是的話，表壞 )，再短接熱電偶接線端子，表指示熱電偶所在的環(huán)境溫度 (不是，補(bǔ)償線有故障 )，再用萬用表 mv檔大體估量熱電偶的熱電勢(shì) (如正常，請(qǐng)檢查工藝 )。
2.熱電阻：不外乎短路、和斷路、用萬用表可判斷。在運(yùn)行中，懷疑短路，只要將電阻端拆下一個(gè)線頭，看顯示儀表，如到最大，熱電阻短路、回零、導(dǎo)線短路，保證正常連接和配置時(shí)，表值顯示低或不穩(wěn)，保護(hù)管可能性進(jìn)水了。
顯示最大，熱電阻斷路，顯示最小，短路 。一般來說，溫度在 300 度以下的用熱電阻， 300度以上的用熱電偶。隨著溫度的變化，熱電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，熱電偶的熱電勢(shì)會(huì)發(fā)生變化。
熱電阻目前都采用銅熱電阻和鉑熱電阻， 根據(jù)0度時(shí)熱電阻值的不同又分為不同的分度號(hào)，如PT100，PT1000，CU50 等，以PT100為例，PT 代表鉑，100代表0度時(shí)熱電阻的阻值是100歐姆。
熱電偶目前大體上有 K，B，S等分度號(hào)，分別代表不同的材質(zhì)，以用于不同的溫度范圍。例如：K 型為鎳鉻 -鎳硅材，一般測(cè)量 0-800 度，B 型為鉑銠 30-鉑銠 6，一般測(cè)量 800-1600度。
06 熱電偶的測(cè)量原理是什么？
熱電偶工作原理是基于賽貝克（ seeback）效應(yīng)，即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。熱電偶由兩根不同導(dǎo)線（熱電極）組成，它們的一端是互相焊接的，形成熱電偶的測(cè)量端（也稱工作端）。
將它插入待測(cè)溫度的介質(zhì)中；而熱電偶的另一端 （參比端或自由端）則與顯示儀表相連。如果熱電偶的測(cè)量端與參比端存在溫度差，則顯示儀表將指出熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。
07 熱電阻的測(cè)量原理是什么？
熱電阻是利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體有溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測(cè)量溫度的， 熱電阻的受熱部分 （感溫元件） 是用細(xì)金屬絲均勻地繞在絕緣材料做成的骨架上或通過激光濺射工藝在基片形成。
當(dāng)被測(cè)介質(zhì)有溫度梯度時(shí)， 則所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層的平均溫度。
08 什么是鎧裝熱電偶，有什么優(yōu)點(diǎn)？
在 IEC1515 的標(biāo)準(zhǔn)中名稱為《 mineral insulated thermocouple cable 》，即無機(jī)礦物絕緣熱電電偶纜。將熱電極、 絕緣物和護(hù)套通過整體拉制而形成的， 外表面好像是被覆一層 “鎧裝"，故稱為鎧裝熱電偶。
同一般裝配式熱電偶相比，具有耐壓高、可彎曲性能好、抗氧化性能好及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
09 熱電偶的分度號(hào)有哪幾種？有何特點(diǎn)？
熱電偶的分度號(hào)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分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長(zhǎng)期使用溫度 1400℃，短期 1600℃。在所有熱電偶中， S分度號(hào)的精確度等級(jí)最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。
R 分度號(hào)與 S分度號(hào)相比除熱電動(dòng)勢(shì)大 15%左右，其它性能幾乎完全相同。
B 分度號(hào)在室溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小， 故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長(zhǎng)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 分度號(hào)的特點(diǎn)是 1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能也好， 可以部分代替 S 分度號(hào)熱電偶。
K 分度號(hào)的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)， 宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長(zhǎng)期使用溫度 1000℃，短期 1200℃。在所有熱電偶中使用最廣泛。
E 分度號(hào)的特點(diǎn)是在常用熱電偶中，其熱電動(dòng)勢(shì)最大，即靈敏度最高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，使用溫度 0-800℃。
J分度號(hào)的特點(diǎn)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 分度號(hào)的特點(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中精確度等級(jí)最高，通常用來測(cè)量 300℃以下的溫度。
10 N 型熱電偶與 K 型熱電偶相比有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？
N型熱電偶的優(yōu)點(diǎn)：
-高溫抗氧化能力強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性強(qiáng)。K 型熱電偶鎳鉻的正極中 Cr、Si 元素?fù)駜?yōu)氧化引起合金成分不均勻及熱電動(dòng)勢(shì)漂移等，在 N 型熱電偶增加 Cr、Si 含量。
使鎳鉻合金的氧化模式由內(nèi)氧化轉(zhuǎn)變?yōu)橥庋趸率寡趸磻?yīng)僅在表面進(jìn)行。
-低溫短期熱循環(huán)穩(wěn)定性好，且抑制了磁性轉(zhuǎn)變；
-耐核輻射能力強(qiáng)，N 型熱電偶取消了 K 型中的易蛻變?cè)?Mn、Co，使抗中子輻照能力進(jìn)一步加強(qiáng)；
-在 400~1300℃范圍內(nèi)， N 型熱電偶的熱電特性的線性比 K 型好。
N型熱電偶的缺點(diǎn)：
-N型熱電偶的材料比K型硬，較難加工；
-價(jià)格相對(duì)較貴。N型熱電偶的熱膨脹系數(shù)要比不銹鋼低 15%，因此N型鎧裝熱電偶的外套管應(yīng)采用 NiCrSi/NiSi 合金；在 -200~400℃范圍內(nèi)非線性誤差較大。
11 熱電阻的引出線方式有幾種？都有什么影響？
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(jiǎn)單， 但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用制造 A級(jí)精度的熱電阻，且在使用時(shí)引線及導(dǎo)線都不宜過長(zhǎng)。
3線制可以消除引線電阻的影響，測(cè)量精度高于2線制。作為過程檢測(cè)元件，其應(yīng)用最廣。
4線制不僅可以消除引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時(shí)，還可以消除該電阻的影響。在高精度測(cè)量時(shí)，要采用4線制。
12 如何選擇熱電偶和熱電阻？
根據(jù)測(cè)溫范圍選擇：500℃以上一般選擇熱電偶， 500℃以下一般選擇熱電阻。
根據(jù)測(cè)量精度選擇：對(duì)精度要求較高選擇熱電阻，對(duì)精度要求不高選擇熱電偶。
根據(jù)測(cè)量范圍選擇：熱電偶所測(cè)量的一般指 “點(diǎn)"溫，熱電阻所測(cè)量的一般指空間平均溫度。
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