熱電阻與熱電偶區(qū)別與測溫原理分析

?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(dá)2000°C）很廣。它可以快速響應(yīng)，故系統(tǒng)運(yùn)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(dǎo)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(yùn)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(dǎo)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(dǎo)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(bǔ)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(bǔ)償電路。溫度傳感器位于冷端進(jìn)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(dǎo)體，其電子密度是不同的。當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體兩端接合在一起時，在連接處，會發(fā)生電子擴(kuò)散，電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度以及導(dǎo)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(dāng)一根導(dǎo)體的兩端溫度不同時，在導(dǎo)體內(nèi)部兩端的自由電子相互擴(kuò)散的速率不同，這個在高低溫端之間一個靜電場。此時導(dǎo)體上產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差，稱為溫差電勢。此電勢只與導(dǎo)體的性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的長度、截面大小、沿導(dǎo)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(bǔ)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(shí)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(dǎo)體）、連接導(dǎo)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(dǎo)體定律。

中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)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(diǎn)卻不一樣。

01 測量原理

熱電阻溫度計(jì)測溫原理是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)（金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加）。它是一種金屬導(dǎo)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(jì)測溫原理是利用熱電效應(yīng)（熱電效應(yīng)指當(dāng)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(dāng)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(jì)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(diǎn)是準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳、自動記錄和多點(diǎn)測量。熱電阻溫度計(jì)在高溫（大于850℃）測量中準(zhǔn)確性不好；易于氧化和不耐腐蝕。

熱電偶溫度計(jì)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(bǔ)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(dá)2800度（如鎢、錸）。

03 信號檢出熱電偶信號使用毫伏計(jì)檢出，

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

04 精確度

熱電阻可提供高的精度，當(dāng)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(diǎn)的溫度變化，通常具有更快的響應(yīng)時間，但它通常也需要更長的時間來達(dá)到熱平衡。這主要是由于冷端補(bǔ)償?shù)拇嬖?，它對溫度變化的響?yīng)不像位于傳感器頂端的熱結(jié)點(diǎn)那樣迅速。相比之下，熱電阻傳感器的設(shè)計(jì)更耐用，對溫度變化的反應(yīng)更快。

06?讀數(shù)漂移

由于熱電阻傳感器的設(shè)計(jì)，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(xué)暴露或機(jī)械損傷導(dǎo)致的導(dǎo)線不均勻性。因此，需要經(jīng)常對熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。

07 使用成本熱電偶通常比熱電阻傳感器便宜，

因?yàn)榇蠖鄶?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(zhǔn)，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(diǎn)

熱電阻和熱電偶都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇兩種溫度傳感器時，應(yīng)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(jì)。

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?yàn)闊犭娕荚谥械蜏貐^(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(jì)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(jìn)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(jì)的測量范圍為-20O℃～+850℃。

熱電阻溫度計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是：

測量精度高，無冷端補(bǔ)償問題，特別適宜于低溫測量，所以在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。鉑電阻溫度計(jì)可測到-200℃；銦電阻溫度可測測到3.4K的低溫。它的缺點(diǎn)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(dǎo)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(xué)中我們知道，導(dǎo)體(或半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料的α為負(fù)值，即具有負(fù)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(dǎo)體本身的純度有關(guān)，α越大，導(dǎo)體材料的純度越高。

由上述可知，熱電阻溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)的測量原理是不同的。熱電偶溫度計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)一樣，也具有遠(yuǎn)傳、自動記錄和多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)。此外，它的輸出信號大，測量準(zhǔn)確，所以在1990年國際溫標(biāo)(ITS-90)中規(guī)定：13.8033K～961.78℃溫區(qū)內(nèi)以鉑電阻溫度計(jì)作為基準(zhǔn)器。熱電阻的材料和要求

熱電阻測溫的機(jī)理是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的性質(zhì)，但不是所有導(dǎo)體或半導(dǎo)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(xué)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(yīng)較靈敏。

5.線性好，即電阻與溫度關(guān)系成線性或?yàn)槠交€。

6.易于加工，價格便宜，降低制造成本。

7.復(fù)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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