温度测量
介绍
温度测量是测量领域最重要的功能之一，频繁应用于气象观测，环境研究，实验室以及其他各种生产过程。在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面，温度测量是基础且十分重要。因此，本文将描述工业领域温度测量中广泛使用的温度传感器的热电偶和电阻温度传感器(RTD)的测量原理。
1. 什么是热电偶？
热电偶是温度传感器，其工作原理是: 当热电偶的两个末端处于不同温度时，两种异金属(构成一个闭合电路)的接点就产生一个可测量电压(电动势)(见图1)。
由于热电偶结构简单且可靠性较高，作为工业温度传感器广泛应用于多个领域。此外，将测量仪表(记录器等)连接到电路的一端时，可以测量势差(电磁势)(见图2)。
各种类型的热电偶用于测量不同的温度范围。JIS,IEC及其他标准规定了一些特性优异的常用热电偶。下表总结了典型的热电偶类型(通常用符号表示)及其特征(优缺点)。 类型
优点
缺点
B
适用于1000℃或以上的高温测量。
室温下具有非常低的导热性，无需补偿导线。
极好的耐酸性和耐化学性。
中低温范围内导热性低，600℃或600℃以下时无法进行测量。
低灵敏度。
低温差电动势线性。
价格昂贵。
R/S
高精确性和低变更、低退化性。
极好的耐酸性和耐化学性。
可作为标准使用。
低灵敏度。
易受还原气氛影响(尤其是氢气或金属蒸气)。
导致重大的补偿导线错误。
价格昂贵。
N
具有极好的温差电动势线性。
在1200℃或1200℃以下具有极好的耐酸性。
不受短程排序影响。
不适于还原气氛。
与贵金属热电偶相比，易遭受大的长期的改变。
K
具有极好的温差电动势线性。
在1000℃或1000℃以下具有极好的耐酸性。
在贱金属热电偶中具有极好的稳定性。
不适于还原气氛。
与贵金属热电偶相比，易遭受大的长期的改变。
易受短程排序导致的错误影响。
E
是当前最灵敏的热电偶。
具备比J类型更好的耐热性。
两个支架都是无磁的。
不适于还原气氛。
有轻微磁滞现象。
J
可用于还原气氛。
导热性高出K类型约20％。
正极(“+”)铁支架易生锈。
特性不稳定。
T
具有极好的温差电动势线性。
在低温下仍有很好的特性。
质量变化小。
可用于还原气氛。
低使用限制。
正极(“+”)铜支架易氧化。
导致重大的热传导错误。
资料来源: 日本电气计测器工业会；正确使用温度计－新，日本工业出版有限公司。
2. 什么是电阻温度传感器？
电阻温度传感器(RTD)是温度传感器，其工作原理是金属电阻系数与其温度同比例增加。铂RTD使用铂(Pt)作为电阻温度传感元件，铂具有优良的温度特性、线性以及稳定性。
在各种温度传感器中，具有高精确性的铂RTD得到广泛应用。特别是Pt100(0℃时电阻值为100 ohm)更是在全球深受欢迎。镍和铜也被用于RTD，热敏电阻被用作电阻器。
三种接线技术可供使用: 两线，三线和四线。
此外，取决于各种接线技术，测量仪表侧的测量电路有所不同。下图说明了工业测量常用的三线技术以及精确测量使用的四线技术的原理。
a) 三线技术原理
r1和r2的引线电阻完全匹配，从而在桥接电路中抵消。因此，保持三根引线的电阻一致且较低，即使Rt和测量仪表之间的引线较长，也可以无误地进行温度测量。
b) 四线技术原理
恒定电流通过r1和r4，在RTD的端子测量电压，电压在测量中不受引线电阻的影响。因此，这个系统可以进行精确的温度测量。
如果一个四线技术的RTD与一个三线技术的测量仪表连接，通过取消一根四线技术的RTD引线，即可提供一个简单的温度测量结构。在这种情况下，与三线技术一样要求保持三根引线电阻较低而且统一，不使用的引线必须断开(隔离)以避免噪音及其他因素的影响。
参考:
(1) 日本电气计测器工业会；正确使用温度计－新，日本工业出版有限公司
(2) Tamotsu Ishii；“仪表控制系统”，Denkishoin有限公司
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