?熱電偶是一種常見的被動測溫元件

測量原理

它也是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，并且測量溫度范圍（高達2000°C）很廣。它可以快速響應，故系統(tǒng)運行幾乎沒有顯著的延遲。

熱電偶結(jié)構(gòu)圖：熱電偶結(jié)構(gòu)簡單，主要由兩根金屬導線組成一個回路。

一般熱電偶產(chǎn)生的輸出電壓很?。↘型為約?40μV/每°C），故需要精確的運放支持。否則，外部噪聲（尤其是在熱電偶和測量電路之間使用長導線時）可能會使信號失真。下表顯示了一些常見的熱電偶類型和特性。

另一個問題是“冷端”，它是熱電偶導線與信號電路的線連接的地方，如同線路中的第二個熱電偶。

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為了補償冷端的影響，可以嘗試測量冷端溫度，并將得出的電壓加上熱電偶電壓（Vout），讓熱電偶測量端感測得出的電壓（Vcj）能正式被顯示

? ? Vtc = Vout + Vcj

? ? 其中Vtc = 由熱電感得到的電壓

? ? Vcj =于“冷端”得出的電壓

以下是典型的熱電偶補償電路。溫度傳感器位于冷端進行監(jiān)視，ADC以所需的分辨率提供輸出數(shù)據(jù)。

（來源：Digi-Key）

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熱電偶測量原理

熱電偶是常見的溫度測量元件，熱電偶原理比較簡單，它直接把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度，雖然原理簡單，但測量并不簡單。

熱電偶測溫原理

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。

接觸電勢：兩種不同材料的導體，其電子密度是不同的。當兩種不同材料的導體兩端接合在一起時，在連接處，會發(fā)生電子擴散，電子擴散的速率與自由電子的密度以及導體的溫度成正比。于是就在連接處形成電位差，即接觸電勢。

溫差電勢：當一根導體的兩端溫度不同時，在導體內(nèi)部兩端的自由電子相互擴散的速率不同，這個在高低溫端之間一個靜電場。此時導體上產(chǎn)生一個相應的電位差，稱為溫差電勢。此電勢只與導體的性質(zhì)和導體兩端的溫度有關(guān)，與導體的長度、截面大小、沿導體長度上的溫度分布無關(guān)。

熱電偶的示意圖

圖1 熱電偶的示意圖

熱電偶的測量電路圖

圖2 熱電偶的測量電路圖

直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。

在實際熱電偶的測量中，熱電偶的測量電路一般由熱電偶（A、B兩種導體）、連接導線C和測量儀器組成。測量時將熱電偶置于被測環(huán)境中，如圖2所示，形成有J1、J2、J3三個接觸電勢，以及兩個溫差電勢，整個熱電偶的電勢由這幾部分構(gòu)成。

為了更好的理解這幾部分的電勢，我們需要了解一個定律：中間導體定律。

中間導體定律：在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），只要中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響。

一、基本差別

在溫度測量中，熱電阻和熱電偶都屬于接觸式溫度測量。雖然它們的功能相同，都是用于測量物體的溫度，但它們的工作原理和使用特點卻不一樣。

01 測量原理

熱電阻溫度計測溫原理是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)（金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加）。它是一種金屬導體，通常由鉑、鎳或銅制成。在測量溫度時，將熱電阻連接到電路中，電流通過它時，它的電阻會隨著溫度的變化而變化。根據(jù)熱電阻的電阻值，可以推算出物質(zhì)的溫度。

熱電偶溫度計測溫原理是利用熱電效應（熱電效應指當受熱物體中的電子，因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。）

熱電偶是由兩種不同金屬線材組成的傳感器，這些金屬線材在它們的接觸處產(chǎn)生一個電壓差。當這些線材接觸到不同溫度的物質(zhì)時，電壓差的大小就會發(fā)生變化。這個變化的大小可以被測量，從而推算出物質(zhì)的溫度。

02 測量范圍

熱電阻溫度計測量范圍相對較低，一般用來測量中、低溫，一般在-200-600℃之間，他的特點是準確度高，測量中低溫時，輸出信號比熱電偶要大的多，靈敏度高，可實現(xiàn)遠傳、自動記錄和多點測量。熱電阻溫度計在高溫（大于850℃）測量中準確性不好；易于氧化和不耐腐蝕。

熱電偶溫度計測量范圍相對較高，一般在-200-2000℃之間，但是在測量低溫時，需要溫度補償，低溫段測量精度較低。采用某些特殊熱電偶最低可測到-269度（如金鐵鎳鉻），最高可達2800度（如鎢、錸）。

03 信號檢出熱電偶信號使用毫伏計檢出，

需要時增加冷端溫度和線性補償。熱電阻信號使用電阻儀檢出，需要時增加線性補償。

04 精確度

熱電阻可提供高的精度，當溫度測量精度要求在±0.05至±0.1℃左右時，熱電阻可能是首選的解決方案。相比之下，熱電偶的精度較低，約為±0.2至±0.5℃。

05 靈敏度

盡管熱電偶傳感器系統(tǒng)由于其接觸點的溫度變化，通常具有更快的響應時間，但它通常也需要更長的時間來達到熱平衡。這主要是由于冷端補償?shù)拇嬖?，它對溫度變化的響應不像位于傳感器頂端的熱結(jié)點那樣迅速。相比之下，熱電阻傳感器的設(shè)計更耐用，對溫度變化的反應更快。

06?讀數(shù)漂移

由于熱電阻傳感器的設(shè)計，其漂移很小，這使它們能夠產(chǎn)生比熱電偶更長時間的穩(wěn)定讀數(shù)。與熱電阻傳感器不同，熱電偶具有相對較高的漂移時間，這通常是由于熱和化學暴露或機械損傷導致的導線不均勻性。因此，需要經(jīng)常對熱電偶進行校準。

07 使用成本熱電偶通常比熱電阻傳感器便宜，

因為大多數(shù)熱電偶的成本在熱電阻的一半到三分之一之間。然而，如前所述，熱電偶需要定期調(diào)整和校準，除了更長的安裝和設(shè)置時間外，還增加了產(chǎn)品的長期成本。

08 尺寸

與熱電偶相比，熱電阻傳感器的尺寸相對較大。

二、優(yōu)缺點

熱電阻和熱電偶都有各自的優(yōu)缺點，在選擇兩種溫度傳感器時，應考慮到他們之間的差異，根據(jù)測量需要來選用合適的溫度計。

測量600～1300℃溫度范圍內(nèi)，熱電偶是比較理想的，但是對于中低溫的測量，熱電偶則有一定的局限性，這是因為熱電偶在中低溫區(qū)域輸出熱電勢很小，對配用的儀表質(zhì)量要求較高，如鉑銠-鉑熱電偶在10O℃溫度時的熱電勢僅為0.64mV，這樣小的熱電勢對電子電位差計的放大器和抗干擾要求都很高，儀表的維修也困難，此外，熱電偶冷端溫度補償問題，在中低溫范圍內(nèi)的影響比較突出，一方面要采取溫度補償必然增加工作上的不便，另一方面，冷端溫度如果不能得到全補償，其影響就較大，加之在低溫時，熱電特性的線性度較差，在進行溫度調(diào)節(jié)時也須采取一定措施，這些都是熱電偶在測溫時的不足之處。因此，工業(yè)上在測量低溫時通常采用另一種測量元件，即：熱電阻。熱電阻溫度計的測量范圍為-20O℃～+850℃。

熱電阻溫度計的最大優(yōu)點是：

測量精度高，無冷端補償問題，特別適宜于低溫測量，所以在工業(yè)上得到廣泛應用。鉑電阻溫度計可測到-200℃；銦電阻溫度可測測到3.4K的低溫。它的缺點是：不能測量太高的溫度；需外電源供電，因此使用受到限制；連接導線的電阻易受環(huán)境溫度的影響，會產(chǎn)生測量誤差。

??熱電阻的測溫原理

從物理學中我們知道，導體(或半導體)的電阻值是隨著溫度的變化而變化的，一般說來，它們之間有如下關(guān)系，即

金屬導體的電阻一般隨溫度升高而增大，α為正值，稱為正的電阻溫度系數(shù)。用于測溫的半導體材料的α為負值，即具有負的電阻溫度系數(shù)。各種材料的α值并不相同，對純金屬而言，一般為0.38％～0.68％左右。它的大小與導體本身的純度有關(guān)，α越大，導體材料的純度越高。

由上述可知，熱電阻溫度計和熱電偶溫度計的測量原理是不同的。熱電偶溫度計是把溫度的變化通過測溫元件熱電偶轉(zhuǎn)換為熱電勢的變化來測量溫度的,而熱電阻溫度計則是把溫度的變化通過測溫元件熱電阻轉(zhuǎn)換為電阻值的變化來測量溫度的。

熱電阻溫度計適用于測量-200～+850℃低溫范圍內(nèi)液體、氣體、蒸汽及固體表面溫度，它和熱電偶溫度計一樣，也具有遠傳、自動記錄和多點測量等優(yōu)點。此外，它的輸出信號大，測量準確，所以在1990年國際溫標(ITS-90)中規(guī)定：13.8033K～961.78℃溫區(qū)內(nèi)以鉑電阻溫度計作為基準器。熱電阻的材料和要求

熱電阻測溫的機理是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的性質(zhì)，但不是所有導體或半導體材料都可以作為測量元件，還得從其它方面的性能來考慮和選擇，對熱電阻材料的要求有：

1.物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，測量精度高，抗腐蝕，使用壽命長。

2.電阻溫度系數(shù)要大，即靈敏度要高。

3.電阻率要高，以使熱電阻的體積較小，減小測溫的時間常數(shù)。

4.熱容量要小，使電阻體熱惰性小，反應較靈敏。

5.線性好，即電阻與溫度關(guān)系成線性或為平滑曲線。

6.易于加工，價格便宜，降低制造成本。

7.復現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)和部件互換。???

審核編輯：黃飛

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