儀表中熱電偶與熱電阻的作用和區(qū)別分析

黎浩宏

摘要：在制藥行業(yè)和化工行業(yè)，溫度屬于常見的熱動(dòng)參數(shù)，必須做好優(yōu)化控制。溫度是伴隨物料化學(xué)或物理變化的常規(guī)條件，熱電偶與熱電阻在溫度測(cè)量的期間，作用基本相同，然而原理、特點(diǎn)和適用環(huán)境不同。此次研究主要是探討分析儀表中熱電偶與熱電阻的作用和區(qū)別。

關(guān)鍵詞：儀表;熱電偶;熱電阻作用;區(qū)別

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，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(hù)套管，用起來非常方便。熱電偶和熱電阻在工業(yè)溫度測(cè)控中屬于最常見的接觸式測(cè)溫，然而兩者在工作原理、接線方式與測(cè)溫范圍中均存在顯著差別，具體分析如下：

1、熱電偶與熱電阻的區(qū)別與特點(diǎn)

1.1熱電偶與熱電阻的區(qū)別

第一，工作原理區(qū)別：熱電偶測(cè)溫原理為熱電效應(yīng)，將兩種不同導(dǎo)體和半導(dǎo)體連接為閉合回路。兩個(gè)接端位置溫度不同，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，又被稱為“seeback”效應(yīng)?；芈分挟a(chǎn)生的熱電勢(shì)包含接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。其中，接觸電勢(shì)是兩種不同的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于電子密度不同，會(huì)產(chǎn)生電子擴(kuò)散現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到平衡后形成建立電勢(shì)，接觸電勢(shì)大小取決于不同導(dǎo)體的材料性質(zhì)與接觸點(diǎn)溫度。測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻而言，隨著溫度的持續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

第二，熱電偶與熱電阻結(jié)構(gòu)區(qū)別：普通型熱電偶組成包括電偶保護(hù)套管、絕緣材料、熱電極與接線盒。熱電偶多采用帶孔、耐高溫陶瓷管為絕緣材料，從耐高溫陶瓷管孔內(nèi)引出熱電極。保護(hù)套管的材料應(yīng)當(dāng)具備氣密性良好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕與熱導(dǎo)率高性能，主要涉及到金屬、非金屬與金屬陶瓷。當(dāng)前常用的保護(hù)套管為不銹鋼，可以應(yīng)用于900℃以下工況。熱電阻部分主要為電阻體、絕緣套管、保護(hù)套管與接線盒，在石英、陶瓷和塑料等絕緣骨架上，纏繞電阻絲，之后套上保護(hù)套管，將導(dǎo)熱材料填充在套管和熱電阻絲之間。

第三，材料區(qū)別。熱電阻為金屬材質(zhì)，溫度敏感變化比較明顯。熱電偶為雙金屬材料，采用不同的金屬材料。因受到材料溫度變化影響，因此不同金屬絲兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。

第四，兩種傳感器檢測(cè)的溫度范圍不同，熱電阻多應(yīng)用于0-400℃溫度范圍內(nèi)測(cè)定;熱電偶可以應(yīng)用到0-1000℃溫度范圍。因此熱電阻為低溫檢測(cè)，熱電偶為高溫檢測(cè)。

第五，信號(hào)性質(zhì)不同。熱電阻本質(zhì)為電阻，溫度變化，會(huì)導(dǎo)致電阻發(fā)生正阻值或者負(fù)阻值變化。熱電偶多產(chǎn)生感應(yīng)電壓變化，隨著溫度的變化而變化。

1.2工作特點(diǎn)

第一，熱電偶特點(diǎn)在于測(cè)溫范圍寬，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。遠(yuǎn)傳20mA電信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)集中化控制與自動(dòng)化控制。

第二，熱電阻的優(yōu)勢(shì)較多，可以遠(yuǎn)程傳輸電信號(hào)，具備較高靈敏度與穩(wěn)定性，且準(zhǔn)確性與互換性良好。然而需要電源激勵(lì)時(shí)，無法檢測(cè)瞬時(shí)溫度變化。

2、熱電阻分類和特點(diǎn)

2.1按照熱電阻組成結(jié)構(gòu)分類

普通型熱電阻：按照測(cè)電阻測(cè)溫原理能夠看出，被測(cè)量的溫度變化是通過電阻值變化反應(yīng)的。因此熱電阻引出的導(dǎo)線電阻變化，會(huì)溫度測(cè)量的影響非常大。為了規(guī)避引線電阻所致不良影響，熱電阻需要應(yīng)用三線制、四線制補(bǔ)償方式。

鎧裝型熱電阻：相比于鎧裝型熱電偶來說，鎧裝型熱電阻組成包括不銹鋼套管、絕緣材料、引線與感溫元件。外徑通常為φ2mm-φ8mm。與普通型熱電阻相比，體積小，便于安裝，且抗彎曲和抗沖擊性能強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。

端面型熱電阻：端面熱電阻感溫元件是采用電阻絲繞制，處理手法比較特殊，和溫度計(jì)端面緊貼。相比于常規(guī)熱電阻，端面型熱電阻可以反映出被測(cè)端面實(shí)際溫度，可以測(cè)量軸瓦斷面的溫度。

防爆型熱電阻：此種熱電阻的接線盒結(jié)構(gòu)特殊，能夠?qū)㈦娀鸹?、電弧所產(chǎn)生的爆發(fā)與閃火控制在接線盒內(nèi)，確保生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可以產(chǎn)生明火。防爆型熱電阻可以應(yīng)用到易燃易爆炸的場(chǎng)所，比如化學(xué)氣體與蒸汽生產(chǎn)中。

2.2按照熱電阻材質(zhì)分類

鉑電阻：鉑具備較高的電阻率，電阻與溫度關(guān)系為非線性關(guān)系。鉑電阻的測(cè)溫范圍非常廣，且測(cè)量精度高，材料提純難度小，復(fù)現(xiàn)性良好。在高溫天氣、惡劣天氣下，化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)穩(wěn)定。當(dāng)前所應(yīng)用的工業(yè)鉑電阻分度號(hào)八廓PT10、PT100。對(duì)于PT10來說，主要采用粗鉑絲制作，可以測(cè)量高于600℃的溫度。在0℃條件下，PT100電阻值為100，PT10的電阻值為10Ω，因此PT100比較常用。鉑電阻測(cè)溫范圍通常在-200℃-850℃，當(dāng)大于550℃高溫時(shí)，只可應(yīng)用到氧化反應(yīng)中。在真空還原氣氛內(nèi)，電阻值會(huì)迅速漂移。

銅電阻：銅電阻電阻值和溫度為線性關(guān)系，銅電阻材料成本低廉、提純便利，電阻率為鉑電阻的50%，但是銅電阻的熱響應(yīng)慢，體積大。當(dāng)超過250℃環(huán)境溫度時(shí)，銅介質(zhì)極易氧化，因此工業(yè)用銅熱電阻的工作溫度范圍在-40℃-120℃。

半導(dǎo)體熱敏電阻：通常情況下，半導(dǎo)體熱敏電阻可以應(yīng)用到測(cè)溫要求較低的場(chǎng)合內(nèi)，主要為-50℃-350℃的低溫段范圍。工業(yè)化國(guó)家應(yīng)用半導(dǎo)體熱敏元件，制作溫度傳感器可以應(yīng)用到多種溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、家電、汽車等溫度控制要求較低的場(chǎng)景內(nèi)。我國(guó)熱電阻、熱電偶均按照IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，提升制定不同標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，作為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

3、熱電偶與熱電阻的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域區(qū)別

熱電偶是熱電動(dòng)勢(shì)隨著溫度變化而產(chǎn)生變化的元件，熱電阻是電阻隨著溫度變化而發(fā)生變化的元件。一般情況下，熱電偶用于高溫環(huán)境下，熱電阻用于低溫環(huán)境下。當(dāng)測(cè)量溫度差大于500℃時(shí)，熱電阻的阻值比較大，對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響非常高，還會(huì)出現(xiàn)無法顯示測(cè)量結(jié)果的問題。熱電偶通過熱電動(dòng)勢(shì)隨著溫度變化而產(chǎn)生變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量，測(cè)定溫度越高，則原子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)越激烈，電勢(shì)反應(yīng)靈敏度高。熱電偶需要補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，熱電阻無需補(bǔ)償導(dǎo)線，熱電阻的價(jià)格低于熱電偶。盡管熱電阻被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，然而卻因測(cè)溫范圍所致應(yīng)用受限制。熱電阻測(cè)量需要電源激勵(lì)，無法瞬時(shí)檢測(cè)溫度變化。

4、結(jié)束語

綜上所述，溫度是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的基礎(chǔ)參數(shù)控制指標(biāo)，測(cè)量任務(wù)主要是熱力生產(chǎn)中的溫度。從本質(zhì)上看，熱電偶與熱電阻的區(qū)別在于掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，能夠維護(hù)設(shè)備安全與穩(wěn)定。熱電偶多應(yīng)用于500℃以上的溫度測(cè)量中，針對(duì)500℃以下的中低溫測(cè)量，熱電偶的輸出熱電勢(shì)較小，因此對(duì)于二次儀表的抗干擾性能、放大器要求非常高，避免無法實(shí)現(xiàn)精確化測(cè)量。在低溫區(qū)域，冷端溫度變化所致誤差比價(jià)明顯。因此在測(cè)量中低溫度時(shí)，主要應(yīng)用熱電阻溫度測(cè)量?jī)x表。

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