工業(yè)溫度采集原理及應(yīng)用（二）熱電偶和熱電阻的原理應(yīng)用區(qū)別

類型一：熱電偶

1821年德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，將兩種不同的金屬A和B聯(lián)接成回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)分別置于不同的溫度環(huán)境中時(shí)，回路中便出現(xiàn)電流。這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，這種裝置稱為熱電偶。

熱電偶測溫原理：

熱電偶是基于熱電效應(yīng)的原理進(jìn)行測溫即兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)焊接點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生電流，稱為熱電流，兩者之間產(chǎn)生
相應(yīng)的電勢稱為熱電勢。

兩個(gè)接點(diǎn)的溫差越大，產(chǎn)生的熱電勢就越大。熱電偶溫度高的接點(diǎn)稱為測量端，工作端，與被測介質(zhì)接觸。溫度低的接點(diǎn)稱為冷端，也稱為補(bǔ)償端，通常以0℃為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。如果能保持冷端溫度不變，回路中產(chǎn)生的熱電勢就隨測量端溫度升高而增大。但由于冷端通常不為0°C，造成了熱電勢差減小，出現(xiàn)誤差。因此為減少誤差所做的補(bǔ)償措施就是冷端溫度補(bǔ)償，即添加補(bǔ)償導(dǎo)線。

【補(bǔ)償導(dǎo)線】釋義：

定義:在一定溫度范圍內(nèi)，熱電性能與熱電偶熱電性能很相近的導(dǎo)線稱為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線。
要求:補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶材料相匹配，正負(fù)極不能接反。
作用: 補(bǔ)償導(dǎo)線作用的實(shí)質(zhì)是熱電偶的延長。

常見熱電偶類型：

常見熱電偶的分度號(hào)有主要有K、T、E、J、N、S、R、B等幾種，其中K、T、E、J、N屬于廉金屬熱電偶，S、R、B屬于貴金屬熱電偶。

熱電偶測溫范圍：

熱電偶通常用于測量較高的溫度和較大的溫度范圍。測量范圍可達(dá)-200℃~1800 ℃ 。

熱電偶測溫優(yōu)點(diǎn)：

在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種無源傳感器，測量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

類型二:熱電阻（ RTD電阻溫度檢測器）

熱電阻測溫原理：

RTD的英文“Resistance Temperature Detector” 翻譯為“電阻溫度檢測器”， RTD能夠測量溫度，是利用了金屬電阻，隨溫度的升高而升高這一性質(zhì)，根據(jù)導(dǎo)體或半導(dǎo)體的熱阻效應(yīng)，即阻值雖溫度的變化而變化，通過測量其阻值而計(jì)算溫度。

常見熱電阻類型：

不是所有的金屬都適合做測量電阻，進(jìn)過篩選，人們將鉑、銅、鎳作為RTD的使用材料。

鉑的特性穩(wěn)定、耐腐蝕，不會(huì)因高低溫引起物理或化學(xué)變化，所以鉑RTD是測量溫度最準(zhǔn)確最穩(wěn)定的一種，并且在工業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛，常見的型號(hào)有Pt100、Pt500、Pt1000等；

鎳是一種硬且有延展性的金屬，比較耐腐蝕，但長時(shí)間的使用，會(huì)使鎳金屬加速老化，影響測量精度，所以鎳RTD的使用范圍很小；

銅是比較柔軟，有良好延展性和導(dǎo)電性的金屬，在一定溫度下，銅的電阻溫度線性度很好，但是銅在高溫下，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，影響精度，所以銅RTD在低溫場景下的使用比較多，常見的型號(hào)有Cu50、Cu100，

這些RTD的型號(hào)是什么意思呢？

以Pt100為例，Pt表示是鉑電阻，100表示它在0℃時(shí)，電阻的阻值是100Ω，其他型號(hào)的表示方法也是這樣。

溫度-T 阻值一R 關(guān)系公式:T=(R-100)/0.385

例如:測得某熱電阻阻值為137.5，則溫度T=(137.5-100)/0.385=97.4

熱電阻測溫范圍：

RTD的電阻溫度線性度好，常用于中低溫的溫度測量，測量范圍-200℃~600℃

熱電阻測溫優(yōu)點(diǎn)：
測量精度高，復(fù)現(xiàn)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(dòng)測量中，也便于遠(yuǎn)距離測量。

熱電偶和熱電阻如何區(qū)分？

根據(jù)引線區(qū)分：

熱電偶：兩根引線（正極、負(fù)極）四根引線（一般為雙芯熱電偶）

熱電阻：三根引線（兩根線顏色一樣，使用較多）、兩根引線（使用較少）、兩根或者四根引線的沒有特殊標(biāo)記，不好區(qū)分。

根據(jù)型號(hào)區(qū)分：
熱電偶型-WR 熱電阻-WZ

根據(jù)工作原理區(qū)分：

熱電偶：兩種不同材料的導(dǎo)體，半導(dǎo)體焊接，所以回路電阻值較小，一般只有1Ω左右的阻值。
熱電阻：電阻值和溫度有聯(lián)系，測溫部位為熱阻芯，所以回路值較大。Pt100，0℃電阻測量100Ω。Pt1000，0℃電阻測量1000Ω。

根據(jù)使用場所區(qū)分： 測量的溫度范圍不一樣，熱電偶適合高溫場合，熱電阻適合一般場合。

熱電偶、熱電阻與采集卡的接線：

熱電偶的接線方式：

1. 有補(bǔ)償導(dǎo)線：補(bǔ)償導(dǎo)線延長型，現(xiàn)場無溫度變送器

要求：補(bǔ)償導(dǎo)線材料要對應(yīng)，正負(fù)極對應(yīng)接，不能接反

2. 無補(bǔ)償導(dǎo)線：一體化溫度變送器型，現(xiàn)場有溫度變送器

使用熱電偶溫度變送器

補(bǔ)償導(dǎo)線的作用：

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對測溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度差不能超過100℃。

對應(yīng)溫度變送器：

K型熱電偶，輸出mV電壓，需要用對應(yīng)的溫度變送器。

PT100熱電阻變送器接線：

Pt100鉑電阻和溫度變送器要實(shí)現(xiàn)對接必然需要引出線，特別是工業(yè)用Pt100鉑電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與溫度變送器之間存在一定的距離，因此Pt100鉑電阻的引線電阻對測量結(jié)果必然會(huì)產(chǎn)生較大的影響，且不同的接線方式對測量結(jié)果勢必產(chǎn)生不盡相同的影響。

1. 兩線制
   在Pt100鉑電阻兩端各連接一根引線L1.L2來引出電阻信號(hào)的方式叫二線制，這種引線方式很簡單，但由于連接引線必然存在引線電阻，測量結(jié)果無可避免的要受引線電阻影響。如圖1所示，通過引線L.1.L2給傳感器施加激勵(lì)電流I,測得電勢V1.V2，由

由于連接引線的電阻RL1、RL2無法測得而被計(jì)入到電阻阻值中,使測量結(jié)果產(chǎn)生附加誤差;假設(shè)t=100C,這時(shí)若引線的電阻值為3Ω，則引起的測量誤差將達(dá)到7.79℃，可見兩線制接線由引線電阻引起的測量誤差是不可忽視的。

2. 三線制
   Pt100鉑電阻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，是實(shí)際應(yīng)用中最常見的接線方式。如圖2所示，增加的一根引線用以補(bǔ)償引線電阻引起的測量誤差,三線制要求E根引線電阻值相同，即RL1=RL2=RL3,導(dǎo)線L3需接入高輸入阻抗電路，即1L3=0，通過導(dǎo)線L1、L2給電阻施加激勵(lì)電流I,測得電勢.
   

因此，三線制接法可以補(bǔ)償因引線電阻引起的測量誤差，且三線制接線常與電橋配套使，將Pt100鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將引線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到Pt100鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，引線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了引線電阻帶來的測量誤差,但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除引線電阻的影響。采用現(xiàn)代工藝制作的三線制Pt100鉑電阻補(bǔ)償電纜三根引線的電阻值已能做到幾乎完全相同，故采用三線制接線能大大減小引線電阻帶來的附加誤差.

3. 四線制
   在Pt100鉑電阻的根部兩端各連接兩根引線的方式稱為四線制，其中兩根引線為鉑電阻提供恒定電流I,把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V,再通過另兩根引線把V引至二次儀表,可見這種引線方式可以完全消除引線電阻的影響。如圖3所示，通過引線L1.L2給電阻施加激勵(lì)電流1,測得電勢L3、L4。引線L3、L4接入高輸入阻抗電路，即

在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，通過計(jì)算得出電阻值，故四線制測量方式可以完全不受連接引線電阻的影響，是Pt100鉑電阻測溫最理想的接線方式，主要用于精度高的溫度檢測。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，Pt100鉑電阻在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。從測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)者角度來看，這就要求需要依據(jù)用戶需求，科學(xué)合理的為用戶選取一種既能保證測溫結(jié)果準(zhǔn)確性,又能為用戶節(jié)省成本的最符合應(yīng)用現(xiàn)場要求的接線方式，但總體應(yīng)遵循以下基本原則:
(1)兩線制由于受引線電阻影響極大,盡量避免采用或少采用(在對溫度測量精度要求低，且引線極短或沒有引線的單一測點(diǎn)中可采用);
(2)三線制是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中較為廣泛應(yīng)用的一種接線方式，由于補(bǔ)償引線的引入，大大降低了引線電阻的影響，對于一般工業(yè)生產(chǎn)中用于對溫度監(jiān)視的系統(tǒng)可采用此種接線方式;特別是測點(diǎn)數(shù)量龐大的計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)(其工作原理十分簡單，只需要將溫度信號(hào)通過信號(hào)線傳輸?shù)綔囟炔杉K,采集模塊會(huì)自動(dòng)識(shí)別溫度信號(hào),再由通訊模塊將采集到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)),采用三相制接線將極大的提高計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測量精度及可靠性;
(3)在輸入阻抗足夠高的條件下，四線制測量方式可以完全不受連接引線電阻的影響;但對于測點(diǎn)數(shù)量龐大，相對而言對精度要求又不是特別高的工業(yè)溫度監(jiān)視系統(tǒng)而言，一只傳感器增加一根引線，由于基數(shù)龐大，且引線相對較長，勢必增加系統(tǒng)建設(shè)成本，因此四線制并不可取:對于溫度測量精度要求較高的測量控制系統(tǒng)、或者實(shí)驗(yàn)室計(jì)量基準(zhǔn)采用四線制接線就極為必要;
(4)Pt100鉑電阻的使用雖然簡單，但切不可想當(dāng)然的在終端把兩線并三線(或并四線)接入測量儀表，一定要從Pt100鉑電阻的傳感器引出三線(或四線)，并且三線(或四線)都接入終端儀表，否則必然存在溫度虛高。

所以，現(xiàn)在工業(yè)最常用的為三線制的Pt100鉑熱電阻。

審核編輯 黃宇