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热电阻工作原理

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器.它的主要特点是测量精度高,性能稳定.其中铂热是阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪.

  与热电偶的测温原理不同的是,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的变化而变化的特性.因此,只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度.目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类.

  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.

  热电阻材料

  热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的.热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻.

  热电阻种类(1)精密型热电阻:工业常用热电阻感温元件(电阻体)的结构及特点.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.为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制.

  (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:

  ①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;

  ②机械性能好、耐振,抗冲击;

  ③能弯曲,便于安装;

  ④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.

  工业上常用金属热电阻

  从电阻随温度的变化来看,大部分金属导体都有这个性质,但并不是都能用作测温热电阻,作为热电阻的金属材料一般要求:尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(最好呈线性关系).

  目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜:铂电阻精度高,适用于中性和氧化性介质,稳定性好,具有一定的非线性,温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系,温度线数大,适用于无腐蚀介质,超过150易被氧化.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.

  热电阻的信号连接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

  ○1二线制: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

  ○2三线制: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引线电阻.

  ○3四线制: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.

  热电阻采用三线制接法.采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差.这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥.热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差.采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样消除了导线线路电阻带来的测量误差.工业上一般都采用三线制接法.热电偶产生的是毫伏信号,不存在这个问题.

  热电阻测温系统的组成

  (1)热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成.必须注意以下两点:

  ①热电阻和显示仪表的分度号必须一致

  ②为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制接法.具体内容参见本篇第三章.

  (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:

  ①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;

  ②机械性能好、耐振,抗冲击;

  ③能弯曲,便于安装

  ④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电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值,为此更换新的电阻体为好,若采用焊接修理,焊后要校验合格后才能使用.


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