工業溫度采集原理及應用（二）熱電偶和熱電阻的原理應用區別

類型一：熱電偶

1821年德國物理學家塞貝克發現，將兩種不同的金屬A和B聯接成回路，當兩個接點分別置于不同的溫度環境中時，回路中便出現電流。這種物理現象稱為熱電效應或塞貝克效應，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的原理進行測溫即兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路。當導體A和B的兩個焊接點之間存在溫差時，就會在回路中產生電流，稱為熱電流，兩者之間產生
相應的電勢稱為熱電勢。

兩個接點的溫差越大，產生的熱電勢就越大。熱電偶溫度高的接點稱為測量端，工作端，與被測介質接觸。溫度低的接點稱為冷端，也稱為補償端，通常以0℃為標準進行測量。如果能保持冷端溫度不變，回路中產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，出現誤差。因此為減少誤差所做的補償措施就是冷端溫度補償，即添加補償導線。

【補償導線】釋義：

定義:在一定溫度范圍內，熱電性能與熱電偶熱電性能很相近的導線稱為熱電偶的補償導線。
要求:補償導線與熱電偶材料相匹配，正負極不能接反。
作用: 補償導線作用的實質是熱電偶的延長。

常見熱電偶類型：

常見熱電偶的分度號有主要有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-200℃~1800 ℃ 。

熱電偶測溫優點：

在溫度測量中，熱電偶的應用極為廣泛，它具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點。另外，由于熱電偶是一種無源傳感器，測量時不需外加電源，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，根據導體或半導體的熱阻效應，即阻值雖溫度的變化而變化，通過測量其阻值而計算溫度。

常見熱電阻類型：

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

鉑的特性穩定、耐腐蝕，不會因高低溫引起物理或化學變化，所以鉑RTD是測量溫度最準確最穩定的一種，并且在工業生產中使用最廣泛，常見的型號有Pt100、Pt500、Pt1000等；

鎳是一種硬且有延展性的金屬，比較耐腐蝕，但長時間的使用，會使鎳金屬加速老化，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，會發生氧化反應，影響精度，所以銅RTD在低溫場景下的使用比較多，常見的型號有Cu50、Cu100，

這些RTD的型號是什么意思呢？

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

溫度-T 阻值一R 關系公式: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℃

熱電阻測溫優點：
測量精度高，復現性好；有較大的測量范圍，尤其是在低溫方面；易于使用在自動測量中，也便于遠距離測量。

熱電偶和熱電阻如何區分？

根據引線區分：

熱電偶：兩根引線（正極、負極）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記，不好區分。

根據型號區分：
熱電偶型-WR 熱電阻-WZ

根據工作原理區分：

熱電偶：兩種不同材料的導體，半導體焊接，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。

根據使用場所區分： 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. 有補償導線：補償導線延長型，現場無溫度變送器

要求：補償導線材料要對應，正負極對應接，不能接反

2. 無補償導線：一體化溫度變送器型，現場有溫度變送器

使用熱電偶溫度變送器

補償導線的作用：

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動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，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度差不能超過100℃。

對應溫度變送器：

K型熱電偶，輸出mV電壓，需要用對應的溫度變送器。

PT100熱電阻變送器接線：

Pt100鉑電阻和溫度變送器要實現對接必然需要引出線，特別是工業用Pt100鉑電阻安裝在生產現場，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果必然會產生較大的影響，且不同的接線方式對測量結果勢必產生不盡相同的影響。

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無法測得而被計入到電阻阻值中,使測量結果產生附加誤差;假設t=100C,這時若引線的電阻值為3Ω，則引起的測量誤差將達到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，是實際應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,導線L3需接入高輸入阻抗電路，即1L3=0，通過導線L1、L2給電阻施加激勵電流I,測得電勢.
   

因此，三線制接法可以補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，當橋路平衡時，引線電阻的變化對測量結果沒有任何影響，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。采用現代工藝制作的三線制Pt100鉑電阻補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轉換成電壓信號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。

隨著現代科學技術的發展，Pt100鉑電阻在工業生產中得到了廣泛的應用。從測溫系統設計者角度來看，這就要求需要依據用戶需求，科學合理的為用戶選取一種既能保證測溫結果準確性,又能為用戶節省成本的最符合應用現場要求的接線方式，但總體應遵循以下基本原則:
(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中可采用);
(2)三線制是現代工業生產中較為廣泛應用的一種接線方式，由于補償引線的引入，大大降低了引線電阻的影響，對于一般工業生產中用于對溫度監視的系統可采用此種接線方式;特別是測點數量龐大的計算機監視系統(其工作原理十分簡單，只需要將溫度信號通過信號線傳輸到溫度采集模塊,采集模塊會自動識別溫度信號,再由通訊模塊將采集到的信號傳輸給計算機系統),采用三相制接線將極大的提高計算機監控系統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;但對于測點數量龐大，相對而言對精度要求又不是特別高的工業溫度監視系統而言，一只傳感器增加一根引線，由于基數龐大，且引線相對較長，勢必增加系統建設成本，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、或者實驗室計量基準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，現在工業最常用的為三線制的Pt100鉑熱電阻。

審核編輯 黃宇