【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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(jiàn)的有短路、斷路、接觸不良 (有萬(wàn)用表可判斷 )和變質(zhì) (根據(jù)表面顏色來(lái)鑒別)，檢查時(shí)，要使熱電偶與二次表分開(kāi)。
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(wàn)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(wàn)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)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(wú)機(jī)礦物絕緣熱電電偶纜。將熱電極、 絕緣物和護(hù)套通過(guò)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℃?？稍谘趸曰蛑行詺夥罩惺褂?，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(lái)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?，致使氧化反?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(guò)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(guò)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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