熱電阻概述

來源：江蘇杰達儀表科技有限公司 2011年03月08日 11:03

2.1熱電阻的工作原理

電阻是物體zui基本的物理特性之一。利用金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化而變化的原理，通過測量導(dǎo)體的電阻值來間接獲得溫度值的溫度計稱為熱電阻溫度計。溫度每變化1℃時的電阻值的相對變化量叫電阻溫度系數(shù)，用α表示。熱電阻的感溫元件是用細金屬絲均勻地纏繞在絕緣材料制成的骨架上而形成，所以測得的溫度是感溫元件整體所處位置的平均溫度。根據(jù)熱電阻元件的材質(zhì)分為鉑電阻和銅電阻等等。

2.1.1鉑電阻

鉑是制作熱電阻的材料，其物理化學性能非常穩(wěn)定，尤其抗氧化能力很強，電阻率大，工藝性好。經(jīng)過精心制造的鉑電阻具有很高的示值復(fù)現(xiàn)性（可達10^-4K），優(yōu)于其它所有溫度計，鉑電阻的電阻溫度特性曲線可用下式表達：

當t在0—850℃時： R_t=R_o（1+At+Bt²）

當t在-200—0℃時： R_t=R_o[1+At+Bt²+C（t-100）t³]

R_t、R_o分別為t℃和0℃的電阻值，A=3.90802x10^-3，B=-5.80195x10^-7，C=-4.27350x10^-12。

2.1.2 銅電阻

銅也是制作熱電阻較理想的材料，成本低、容易提純、具有較高的電阻溫度系數(shù)、復(fù)現(xiàn)性好、容易加工成絕緣的銅絲，銅電阻在-50—150℃范圍內(nèi)的電阻溫度特性幾乎是線性的，所以用來測量-50—150℃范圍內(nèi)的溫度很有優(yōu)勢。銅電阻的電阻溫度特性可用下式表達：

R_t=R_o（1+αt）

2.2 熱電阻與熱電偶的特性比較

序	特性項目	熱電阻	熱電偶
1	精度	所有常用溫度計中，準確度zui高，可達10^-4K。	zui高精度可達0.2℃
2	穩(wěn)定性	在振動小而適宜的環(huán)境下，可在很長時間內(nèi)保持0.1℃以下的穩(wěn)定性。	在zui高使用溫度維持250h后，熱電勢變化量在4℃左右
3	靈敏度	靈敏度較熱電偶高一個數(shù)量級，輸出約0.4Ω/℃，如果通過電流2mA，則電壓輸出為0.8mV/℃	靈敏度較熱電阻低一個數(shù)量級，輸出信號在0.005—0.080mv/℃
4	溫度范圍	-200—850℃	測溫范圍寬，-200—2300℃
5	響應(yīng)時間	元件尺寸較大，測面溫，熱響應(yīng)時間較長。	測點溫，響應(yīng)時間快，可達0.1S
6	耐振性	細金屬絲測溫元件，抗機械沖擊與振動性能差。	測溫元件偶絲較粗易焊接，耐振性好
7	適用氣氛	氧化性、中性	氧化、還原、中性、真空
8	變送顯示	輸出線性好，溫度值可由測得的電阻值直接求出，變送顯示容易	輸出線性較熱電阻差，顯示變送容易
9	安裝使用	不要參考點，不需補償導(dǎo)線，	要冷端溫度補償，要補償導(dǎo)線，
10	外形尺寸	zui小直徑到3mm，其余與熱電偶相同	zui小直徑到0.25mm

2.3 鎧裝熱電阻的特點

鎧裝熱電阻是在裝配熱電阻的基礎(chǔ)上借鑒鎧裝熱電偶的制造技術(shù)發(fā)展起來的熱電阻新品種，相對于裝配熱電阻具有直徑小、能彎曲、熱響應(yīng)時間快，安裝使用方便等特點。由于熱電阻沒有耐高溫腐蝕的要求，用不銹鋼作保護管的鎧裝熱電阻可以*代替原裝配熱電阻，適合批量生產(chǎn)，成本低，而且更耐震動、密封性好、使用壽命長。近年來越來越多的廠家采用鎧裝熱電阻作為裝配熱電阻的芯子來改造傳統(tǒng)的裝配熱電阻。隨著技術(shù)的發(fā)展和人們使用觀念的進步，裝配熱電阻zui終將被鎧裝熱電阻*取代。

鎧裝熱電阻的制造，首先是將熱電阻引線（一般為純鎳絲）穿入氧化鎂絕緣材料中，再一同穿入不銹鋼保護管中，經(jīng)過多次拉拔縮徑退火而形成鎧裝熱電阻引線（相當于鎧裝熱電偶材料）；然后將熱電阻感溫元件與已經(jīng)下料成需要長度并剝出引線頭的鎧裝熱電阻引線對接焊接；zui后與制作鎧裝熱電偶的方法類似完成測量端、接線端和安裝裝置的制作。由于鎧裝熱電阻引線電阻率較大，所以沒有兩線制引線，一般為三線制引線，四線制需要特別注明。鎧裝銅電阻由于測溫較低，可用有機材料絕緣代替無機氧化鎂絕緣，制作工藝與鎧裝鉑電阻可以不同。

2.4 熱電阻的結(jié)構(gòu)與分類

與熱電偶分類一樣，熱電阻按照結(jié)構(gòu)分為裝配熱電阻、鎧裝熱電阻兩類；按測溫元件鉑電阻、銅電阻，以及非標準化的鐵電阻、鎳電阻、銦電阻、錳電阻、碳電阻等；按分度號分為Pt100、Pt10、Cu50、Cu100，以及Pt1000、Pt800、Pt500等標稱電阻很大分辨率很高的鉑電阻；根據(jù)用途分為標準鉑電阻、耐腐蝕熱電阻、耐磨熱電阻、端面熱電阻、電機熱電阻等等。

熱電阻的結(jié)構(gòu)仍然用“兩端五部”來概括。

從熱電阻的測溫原理可知，構(gòu)成zui基本的熱電阻除了熱電阻元件及引線外，仍然有測量端和參比端，也稱“熱端”和“冷端”，這就是所謂的“兩端”。熱電阻的測量端都是絕緣型。熱電阻的構(gòu)成仍然分五部分，熱電阻元件及引線是構(gòu)成熱電阻的核心部分（即*部分測溫元件），其它部分都是圍繞它展開；為了保證回路中電阻信號不損失，以準確傳遞被測溫度信號，必須用絕緣材料使熱電阻元件兩引線之間，及其與外界之間有可靠的絕緣（即第二部分絕緣材料）；為了保護絕緣材料和熱電阻元件及引線，以延長熱電阻的使用壽命，同樣設(shè)計有第三部分保護套管；為了安裝接線使用方便，適應(yīng)各種使用場合，同樣設(shè)計有第四部分接線裝置和第五部分安裝固定裝置。這些就是所謂的“五部”。zui基本的熱電阻沒有保護套管和安裝固定裝置（即熱電阻芯）。可見，熱電阻的結(jié)構(gòu)除測溫元件不同以外，其余與熱電偶基本一致。

2.5 熱電阻的測溫精度

測溫精度又稱允許偏差或“允差”，指具體某支熱電阻的電阻溫度特性與該類熱電阻的標準分度表的符合程度。與熱電偶一樣，從理論上講沒有材質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)、加工狀態(tài)*相同的兩支熱電阻，所以任何一支熱電阻都與標準分度表有偏差，任何一支熱電阻的兩次測試結(jié)果也不一致，都只能在一定程度上符合標準分度表。根據(jù)符合程度或偏差的大小把熱電阻分為A、B級，詳見下表：

精度等級性能類別			A級精度	B級精度
測溫允差（℃）	鉑電阻		±（0.15+0.2%∣t∣）	±（0.30+0.5%∣t∣）
	銅電阻		±（0.30+0.6%∣t∣）
基本誤差	名義電阻R₀ （℃）	Pt10	10±0.006	10±0.012
		Pt100	100±0.06	100±0.12
		Cu50	50±0.050
		Cu100	100±0.10
	電阻比W₁₀₀ （R₁₀₀/R₀）	鉑電阻	1.3850±0.0010
		銅電阻	1.4280±0.0020
測溫范圍（℃）	鉑電阻		-200~650	-200~850
	銅電阻		-50~150
備注：精度不適用于兩線制的鉑電阻；精度不適用于650℃以上的Pt100鉑電阻； Pt10主要用于工作溫度延伸到600℃以上的鉑電阻。

2.6 熱電阻的穩(wěn)定性

精度等級項目內(nèi)容		鉑電阻		銅電阻
		A	B	Cu50	Cu100
極限溫度	在上下限分別經(jīng)受250h，在0℃測得電阻的變化值或換算成溫度變化值.（銅電阻：上限4h）	≤0.15℃	≤0.30℃	≤0.025Ω	≤0.05Ω
溫度循環(huán)	經(jīng)過0-上限-室溫-下限-室溫-0℃溫度循環(huán)后，測得的電阻變化換算成溫度變化值			無	無
熱電	100℃時，改變置入深度測得的zui大熱電勢	≤20μV		無	無
自熱影響	0℃時，改變激勵電流從0.03至10mA，測得電阻的增量換算成溫度增量的zui大值或自熱影響評價值.（Pt10：0.1~30mA，銅電阻：1~5mA）	≤0.30℃		0.214（P₂-P₁）/△R	0.429（P₂-P₁）/△R
				≤6.25mW/℃

2.7 熱電阻的引線制式

熱電阻測量的溫度是指測量端部分的熱電阻元件所感應(yīng)到的溫度，溫度的高低決定了元件電阻大小，但測量元件輸出的電阻值包含了引線的電阻，所以引線電阻的大小和穩(wěn)定以及處理方法直接決定了熱電阻的測溫精度。從熱電阻的分度特性中已知，鉑電阻的平均每度電阻變化率是0.385Ω/℃，銅電阻的平均每度電阻變化率是0.428Ω/℃；引線電阻不得使熱電阻超出了其測溫的允許偏差，兩線制引線電阻不得大于0.1Ω，否則就需做技術(shù)處理以扣除引線電阻。引線電阻包含熱電阻產(chǎn)品的引線電阻（叫內(nèi)引線電阻）和熱電阻產(chǎn)品至顯示儀表之間的引線電阻（叫外引線電阻）兩部分。引線方法分以下三種：

兩線制：熱電阻產(chǎn)品只給出兩根引線，測量電阻包含了引線電阻，一般引線電阻不得大于0.1Ω。兩線制引線方法測量誤差大，一般用于引線不長、測量精度要求不高的場合。兩線制僅指熱電阻產(chǎn)品的內(nèi)引線采用兩根引線，用戶安裝的外引線必須用三根引線。

三線制：熱電阻產(chǎn)品給出了三根引線，如果三根引線的電阻相等，就可以消除引線電阻對測量結(jié)果的影響，內(nèi)引線和外引線都采用三根引線，這是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用zui廣泛的接線方式。

如下圖所示，只要三根引線的電阻相等（即R1=R2=R3），那么測溫元件電阻R₀就與引線電阻的大小無關(guān)并可表達為：

R₀ = R_AC – R_AB

四線制：熱電阻產(chǎn)品給出了四根引線，這中方法可以*消除引線電阻對測量結(jié)果的影響，測量精度高，一般只適用于精密測量，如標準鉑電阻溫度計。

如上圖所示，不管四根引線的電阻R1、R2、R3、R4是否相等，測溫元件電阻R₀都與引線電阻的大小無關(guān)并可用下式表達：

R₀ =（R_AD + R_BC - R_AB – R_CD）/2

根據(jù)上述公式，溫度顯示儀表可自動進行加減乘除運算，以準確顯示被測溫度。

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