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入门热电阻 | 温度传感器之三

特普生科技 特普生科技 2023-06-07 13 418

一、热电阻的基本概念

热电阻是一种常用于中低温区的温度检测器,其原理是利用金属导体的电阻随温度升高而增加。热电阻具有高测量精度和稳定性的特点。其中,铂热电阻是测量精度最高的,被广泛应用于工业温度测量和标准仪器制造。

热电阻主要由纯金属材料制成,常用的材料包括铂、铜,以及近期开始采用的镍、锰和铑等。其中,铂丝是最常用的感温材料。除了铂丝,工业测量中还使用铜、镍、铁、铁-镍等金属热电阻材料。

(2)热电阻的工作原理

热电阻是一种利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的特性来测量温度及相关参数的器件。它主要由纯金属材料制成,最常用的是铂和铜,而近期也开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。为了将电阻信号传递到计算机控制装置或其他次级仪表上,通常需要使用引线来连接热电阻。

(3)热电阻主要种类

①普通型热电阻

从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

②铠装热电阻

铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,它的外径一般为φ2--φ8mm,最小可达φmm。

与普通型热电阻相比,它有下列优点:A.体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;B.机械性能好、耐振,抗冲击;C.能弯曲,便于安装;D.使用寿命长。

③端面热电阻

端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

④隔爆型热电阻

隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内,生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于 Bla--B3c 级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

(4)测温原理

热电阻的测温原理与热电偶的测温原理有所不同。热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值随温度变化而变化。通过测量感温热电阻的阻值变化,可以确定温度值。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类热电阻。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即


Rt=Rt0[1+α(t-t0)]


式中,Rt 为温度 t 时的阻值;Rt0 为温度 t0(通常 t0=0℃)时对应电阻值;α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为:Rt=AeB/t

式中,Rt 为温度为 t 时的阻值;A、B 取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言,热敏电阻的温度系数更大,常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上),但互换性较差,非线性严重,测温范围只有-50~300℃左右,大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量,其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠,在程控制中的应用极其广泛。

在工业上,虽然大多数金属导体都具有电阻随温度变化的性质,但并不是所有金属都适用于作为测温热电阻。金属热电阻材料通常具备以下要求:拥有尽可能大且稳定的温度系数,具有较高的电阻率(以减小传感器尺寸并保持灵敏度),在使用温度范围内具有稳定的化学物理性能,具有良好的复制性,电阻值与温度变化之间具有明确的函数关系(最好呈线性关系)。

实际应用

目前,铂和铜是应用最广泛的热电阻材料:

1. 铂电阻:铂电阻具有高精度、适用于中性和氧化性介质、稳定性好等特点。它在温度变化时具有一定的非线性,温度越高,电阻的变化率越小。

2. 铜电阻:铜电阻在测温范围内的电阻值与温度呈线性关系,具有较高的温度线性度。它适用于无腐蚀介质的环境。然而,超过150摄氏度时,铜电阻容易被氧化。

这两种材料在不同的应用场景中具有各自的优势和限制,选择适合的热电阻材料取决于具体的测温需求和工作环境条件。

中国最常用的有 R0=10Ω、R0=100Ω和 R0=1000Ω等几种,它们的分度号分别为 Pt10、Pt100、Pt1000;铜电阻有 R0=50Ω和 R0=100Ω两种,它们的分度号为 Cu50 和 Cu100。其中 Pt100 和 Cu50 的应用最为广泛。

接线方式

热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场,与控制室之间存在一定的距离,因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

目前热电阻的引线主要有三种方式:

二线制:

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制:

这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引线电阻 r,r 大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

三线制:

在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响,是工业过程控制中的最常用的。

四线制:

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流 I,把 R 转换成电压信号 U,再通过另两根引线把 U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。

热电阻常采用三线制接法,这是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。由于测量热电阻的电路通常是不平衡电桥,热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,连接导线也对电桥产生影响,导致测量误差。采用三线制可以解决这个问题。其中,一根导线连接到电桥的电源端,另外两根导线分别连接到热电阻所在的桥臂和相邻桥臂上,这样可以消除导线电阻带来的误差,提高测量的准确性。

(5)热电阻结构及生产工艺特点

结构由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成,热电阻=电阻体+绝缘套管+接线盒。

生产工艺特点

热电阻体

云母骨架热电阻:用直径为 0。03-0。07mm 的铂丝,采用双线无感绕制法绕

在锯齿形云母骨架上,两面再各加云母片绝缘,外面用铆钉及陶瓷卡件夹持而成。

在装入保护套管时,云母骨架热电阻体的两面各绑一个完成半圆形,它的作用是把电阻体固定在保护套管中间,这样即可增加抗震及抗冲击性能,又可加强热传导,减小测温后的之后和自热影响丝。使用温度 5000C 以下。

绝缘骨架

作用:缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架。它的质量影响技术指标。

目前常用的材料:云母,玻璃,石英,陶瓷,塑料。

(1)云母骨架热电阻

(2)玻璃骨架热电阻

(3)陶瓷骨架热电阻

(4)塑料骨架热电阻

引出线

定义:由热电阻体至接线端子的连接导线称为引出线。

问题:引出线有电阻值,影响测量精度。

解决方法:

A、选择特定材料,内引出线要选用纯度高,与电阻丝、接线端子之间产生的热电势小,而且在

**使用温度下不挥发、抗氧化、不变质的材料。工业用铂电阻用银丝作引出线,高温下用镍丝作引出线。铜和镍电阻可用铜丝和镍丝作引出线。引出线的直径比电阻丝的直径大得多,这样可减少引出线电阻。

B、接线方式的改变

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