热电阻与热电偶区别与测温原理分析

 热电偶是一种常见的被动测温元件

测量原理

它也是一种有源传感器，测量时不需外加电源，并且测量温度范围（高达2000°C）很广。它可以快速响应，故系统运行几乎没有显著的延迟。

热电偶结构图：热电偶结构简单，主要由两根金属导线组成一个回路。

一般热电偶产生的输出电压很小（K型为约〜40μV/每°C），故需要精确的运放支持。否则，外部噪声（尤其是在热电偶和测量电路之间使用长导线时）可能会使信号失真。下表显示了一些常见的热电偶类型和特性。

另一个问题是“冷端”，它是热电偶导线与信号电路的线连接的地方，如同线路中的第二个热电偶。

为了补偿冷端的影响，可以尝试测量冷端温度，并将得出的电压加上热电偶电压（Vout），让热电偶测量端感测得出的电压（Vcj）能正式被显示

    Vtc = Vout + Vcj

    其中Vtc = 由热电感得到的电压

    Vcj =于“冷端”得出的电压

以下是典型的热电偶补偿电路。温度传感器位于冷端进行监视，ADC以所需的分辨率提供输出数据。

（来源：Digi-Key）

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热电偶测量原理

热电偶是常见的温度测量元件，热电偶原理比较简单，它直接把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度，虽然原理简单，但测量并不简单。

热电偶测温原理

热电偶产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

接触电势：两种不同材料的导体，其电子密度是不同的。当两种不同材料的导体两端接合在一起时，在连接处，会发生电子扩散，电子扩散的速率与自由电子的密度以及导体的温度成正比。于是就在连接处形成电位差，即接触电势。

温差电势：当一根导体的两端温度不同时，在导体内部两端的自由电子相互扩散的速率不同，这个在高低温端之间一个静电场。此时导体上产生一个相应的电位差，称为温差电势。此电势只与导体的性质和导体两端的温度有关，与导体的长度、截面大小、沿导体长度上的温度分布无关。

热电偶的示意图

图1 热电偶的示意图

热电偶的测量电路图

图2 热电偶的测量电路图

直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

在实际热电偶的测量中，热电偶的测量电路一般由热电偶（A、B两种导体）、连接导线C和测量仪器组成。测量时将热电偶置于被测环境中，如图2所示，形成有J1、J2、J3三个接触电势，以及两个温差电势，整个热电偶的电势由这几部分构成。

为了更好的理解这几部分的电势，我们需要了解一个定律：中间导体定律。

中间导体定律：在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响。

一、基本差别

在温度测量中，热电阻和热电偶都属于接触式温度测量。虽然它们的功能相同，都是用于测量物体的温度，但它们的工作原理和使用特点却不一样。

01 测量原理

热电阻温度计测温原理是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质（金属导体的电阻值随温度的增加而增加）。它是一种金属导体，通常由铂、镍或铜制成。在测量温度时，将热电阻连接到电路中，电流通过它时，它的电阻会随着温度的变化而变化。根据热电阻的电阻值，可以推算出物质的温度。

热电偶温度计测温原理是利用热电效应（热电效应指当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。）

热电偶是由两种不同金属线材组成的传感器，这些金属线材在它们的接触处产生一个电压差。当这些线材接触到不同温度的物质时，电压差的大小就会发生变化。这个变化的大小可以被测量，从而推算出物质的温度。

02 测量范围

热电阻温度计测量范围相对较低，一般用来测量中、低温，一般在-200-600℃之间，他的特点是准确度高，测量中低温时，输出信号比热电偶要大的多，灵敏度高，可实现远传、自动记录和多点测量。热电阻温度计在高温（大于850℃）测量中准确性不好；易于氧化和不耐腐蚀。

热电偶温度计测量范围相对较高，一般在-200-2000℃之间，但是在测量低温时，需要温度补偿，低温段测量精度较低。采用某些特殊热电偶最低可测到-269度（如金铁镍铬），最高可达2800度（如钨、铼）。

03 信号检出热电偶信号使用毫伏计检出，

需要时增加冷端温度和线性补偿。热电阻信号使用电阻仪检出，需要时增加线性补偿。

04 精确度

热电阻可提供高的精度，当温度测量精度要求在±0.05至±0.1℃左右时，热电阻可能是首选的解决方案。相比之下，热电偶的精度较低，约为±0.2至±0.5℃。

05 灵敏度

尽管热电偶传感器系统由于其接触点的温度变化，通常具有更快的响应时间，但它通常也需要更长的时间来达到热平衡。这主要是由于冷端补偿的存在，它对温度变化的响应不像位于传感器顶端的热结点那样迅速。相比之下，热电阻传感器的设计更耐用，对温度变化的反应更快。

06 读数漂移

由于热电阻传感器的设计，其漂移很小，这使它们能够产生比热电偶更长时间的稳定读数。与热电阻传感器不同，热电偶具有相对较高的漂移时间，这通常是由于热和化学暴露或机械损伤导致的导线不均匀性。因此，需要经常对热电偶进行校准。

07 使用成本热电偶通常比热电阻传感器便宜，

因为大多数热电偶的成本在热电阻的一半到三分之一之间。然而，如前所述，热电偶需要定期调整和校准，除了更长的安装和设置时间外，还增加了产品的长期成本。

08 尺寸

与热电偶相比，热电阻传感器的尺寸相对较大。

二、优缺点

热电阻和热电偶都有各自的优缺点，在选择两种温度传感器时，应考虑到他们之间的差异，根据测量需要来选用合适的温度计。

测量600～1300℃温度范围内，热电偶是比较理想的，但是对于中低温的测量，热电偶则有一定的局限性，这是因为热电偶在中低温区域输出热电势很小，对配用的仪表质量要求较高，如铂铑-铂热电偶在10O℃温度时的热电势仅为0.64mV，这样小的热电势对电子电位差计的放大器和抗干扰要求都很高，仪表的维修也困难，此外，热电偶冷端温度补偿问题，在中低温范围内的影响比较突出，一方面要采取温度补偿必然增加工作上的不便，另一方面，冷端温度如果不能得到全补偿，其影响就较大，加之在低温时，热电特性的线性度较差，在进行温度调节时也须采取一定措施，这些都是热电偶在测温时的不足之处。因此，工业上在测量低温时通常采用另一种测量元件，即：热电阻。热电阻温度计的测量范围为-20O℃～+850℃。

热电阻温度计的最大优点是：

测量精度高，无冷端补偿问题，特别适宜于低温测量，所以在工业上得到广泛应用。铂电阻温度计可测到-200℃；铟电阻温度可测测到3.4K的低温。它的缺点是：不能测量太高的温度；需外电源供电，因此使用受到限制；连接导线的电阻易受环境温度的影响，会产生测量误差。

  热电阻的测温原理

从物理学中我们知道，导体(或半导体)的电阻值是随着温度的变化而变化的，一般说来，它们之间有如下关系，即

金属导体的电阻一般随温度升高而增大，α为正值，称为正的电阻温度系数。用于测温的半导体材料的α为负值，即具有负的电阻温度系数。各种材料的α值并不相同，对纯金属而言，一般为0.38％～0.68％左右。它的大小与导体本身的纯度有关，α越大，导体材料的纯度越高。

由上述可知，热电阻温度计和热电偶温度计的测量原理是不同的。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转换为热电势的变化来测量温度的,而热电阻温度计则是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。

热电阻温度计适用于测量-200～+850℃低温范围内液体、气体、蒸汽及固体表面温度，它和热电偶温度计一样，也具有远传、自动记录和多点测量等优点。此外，它的输出信号大，测量准确，所以在1990年国际温标(ITS-90)中规定：13.8033K～961.78℃温区内以铂电阻温度计作为基准器。热电阻的材料和要求

热电阻测温的机理是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的性质，但不是所有导体或半导体材料都可以作为测量元件，还得从其它方面的性能来考虑和选择，对热电阻材料的要求有：

1.物理、化学性质稳定，测量精度高，抗腐蚀，使用寿命长。

2.电阻温度系数要大，即灵敏度要高。

3.电阻率要高，以使热电阻的体积较小，减小测温的时间常数。

4.热容量要小，使电阻体热惰性小，反应较灵敏。

5.线性好，即电阻与温度关系成线性或为平滑曲线。

6.易于加工，价格便宜，降低制造成本。

7.复现性好，便于成批生产和部件互换。   

审核编辑：黄飞