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技術(shù)文章

熱電阻

    熱電阻是中低溫區(qū)*常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量**度是*高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。金屬熱電阻的感溫元件有石英套管十字骨架結(jié)構(gòu)，麻花骨架結(jié)構(gòu)得桿式結(jié)構(gòu)等。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多，*常用的是鉑絲。工業(yè)測(cè)量用金屬熱電阻材料除鉑絲外，還有銅、鎳、鐵、鐵—鎳、鎢、銀等。薄膜熱電阻是利用電子陰極濺射的方法制造，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)。其中骨架用陶瓷，引線采用鉑鈀合金。
 
　　熱電阻材料熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用*多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開(kāi)始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
 
　　
 

種類：

　　1）普通型熱電阻
 
　　從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來(lái)影響。
 
　　2）鎧裝熱電阻
 
　　鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體，它的外徑一般為φ2--φ8mm，*小可達(dá)φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：①體積小，內(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性上，測(cè)量滯后小；②機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長(zhǎng)。
 
　　3）端面熱電阻
 
　　端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度，適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。
 
　　4）隔爆型熱電阻
 
　　隔爆型熱電阻通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級(jí)區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。熱電阻的測(cè)溫原理與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。
 
　　金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即
 
　　Rt=Rt0[1+α（t-t0）]
 
　　式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。
 
　　半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為
 
　　Rt=AeB/t
 
　　式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。
 
　　相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測(cè)和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。
 
　　工業(yè)上常用金屬熱電阻從電阻隨溫度的變化來(lái)看，大部分金屬導(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì)，但并不是都能用作測(cè)溫?zé)犭娮?，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大（在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸）、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性能、材料的復(fù)制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關(guān)系（*好呈線性關(guān)系）。
 
　　目前應(yīng)用*廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越??；銅電阻在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度線數(shù)大，適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)，超過(guò)150易被氧化。中國(guó)*常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種，它們的分度號(hào)分別為Pt10、Pt100、Pt1000；銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應(yīng)用*為廣泛。
 

  熱電阻的信號(hào)連接方式

　　熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號(hào)通過(guò)引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的影響。
 
　　目前熱電阻的引線主要有三種方式
 
　　○1二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來(lái)引出電阻信號(hào)的方式叫二線制：這種引線方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合
 
　　○2三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過(guò)程控制中的*常用的[1]。
 
　　○3四線制：在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至二次儀表?？梢?jiàn)這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。
 
　　熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測(cè)量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。
 

  熱電阻的結(jié)構(gòu)

　　（1）精通型熱電阻：工業(yè)常用熱電阻感溫元件（電阻體）的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來(lái)影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制。
 
　　（2）鎧裝熱電阻：鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體，它的外徑一般為φ2~φ8mm，*小可達(dá)φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：
 
　?、袤w積小，內(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性上，測(cè)量滯后??；
 
　　②機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；
 
　?、勰軓澢阌诎惭b
 
　?、苁褂脡勖L(zhǎng)。
 
　　（3）端面熱電阻：端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度，適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。
 
　　（4）隔爆型熱電阻：隔爆型熱電阻通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級(jí)區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。
 

  熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成

　?。?）熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點(diǎn)：
 
　　①熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致
 
　?、跒榱讼B接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。具體內(nèi)容參見(jiàn)本篇第三章。
 
　?。?）鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體，它的外徑一般為φ2~φ8mm，*小可達(dá)φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：
 
　?、袤w積小，內(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性上，測(cè)量滯后??；
 
　?、跈C(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；
 
　?、勰軓澢?，便于安裝
 
　?、苁褂脡勖L(zhǎng)。
 
　?。?）端面熱電阻端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度，適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。
 
　?。?）隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影電阻體的斷路修理必然要改變電阻絲的長(zhǎng)短而影響電阻值，為此更換新的電阻體為好，若采用焊接修理，焊后要校驗(yàn)合格后才能使用。
　熱電阻的安裝要求
 
　　對(duì)熱電阻的安裝,應(yīng)注意有利于測(cè)溫準(zhǔn)確,**可考及維修方便,而且不影響設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)操作.要滿足以上要求,在選擇對(duì)熱電阻的安裝部位和插入深度時(shí)要注意以下幾點(diǎn):
 
　　1、為了使熱電阻的測(cè)量端與被測(cè)介質(zhì)之間有充分的熱交換,應(yīng)合理選擇測(cè)點(diǎn)位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電阻.
 
　　2、帶有保護(hù)套管的熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測(cè)量誤差,熱電偶和熱電阻應(yīng)該有足夠的插入深度:
 
　　(1)對(duì)于測(cè)量管道中心流體溫度的熱電阻,一般都應(yīng)將其測(cè)量端插入到管道中心處(垂直安裝或傾斜安裝).如被測(cè)流體的管道直徑是200毫米,那熱電阻插入深度應(yīng)選擇100毫米;
 
　　(2)對(duì)于高溫高壓和高速流體的溫度測(cè)量(如主蒸汽溫度),為了減小保護(hù)套對(duì)流體的阻力和防止保護(hù)套在流體作用下發(fā)生斷裂,可采取保護(hù)管淺插方式或采用熱套式熱電阻.淺插式的熱電阻保護(hù)套管,其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm;熱套式熱電阻的標(biāo)準(zhǔn)插入深度為100mm;
 
　　(3)假如需要測(cè)量是煙道內(nèi)煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電阻插入深度1 m即可.
 
　　(4)當(dāng)測(cè)量原件插入深度超過(guò)1m時(shí),應(yīng)盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護(hù)套管.
 

  熱電偶和熱電阻的區(qū)別

　　熱電偶與熱電阻均屬于溫度測(cè)量中的接觸式測(cè)溫，盡管其作用相同都是測(cè)量物體的溫度，但是他們的原理與特點(diǎn)卻不盡相同。
 
　　首先，介紹一下熱電偶，熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用*廣泛的溫度器件，他的主要特點(diǎn)就是測(cè)溫范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，更能夠遠(yuǎn)傳4-20mA電信號(hào)，便于自動(dòng)控制和集中控制。熱電偶的測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，又稱為塞貝克效應(yīng)。閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)有兩種電勢(shì)組成；溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)，不同的導(dǎo)體具有不同的電子密度，所以他們產(chǎn)生的電勢(shì)也不相同，而接觸電勢(shì)顧名思義就是指兩種不同的導(dǎo)體相接觸時(shí)，因?yàn)樗麄兊碾娮用芏炔煌援a(chǎn)生一定的電子擴(kuò)散，當(dāng)他們達(dá)到一定的平衡后所形成的電勢(shì)，接觸電勢(shì)的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的材料性質(zhì)以及他們接觸點(diǎn)的溫度。目前國(guó)際上應(yīng)用的熱電偶具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，國(guó)際上規(guī)定熱電偶分為八個(gè)不同的分度，分別為B，R，S，K，N，E，J和T，其測(cè)量溫度的*低可測(cè)零下270℃，*高可達(dá)1800℃，其中B，R，S屬于鉑系列的熱電偶，由于鉑屬于貴重金屬，所以他們又被稱為貴金屬熱電偶而剩下的幾個(gè)則稱為廉價(jià)金屬熱電偶。熱電偶的結(jié)構(gòu)有兩種，普通型和鎧裝型。普通性熱電偶一般由熱電極，絕緣管，保護(hù)套管和接線盒等部分組成，而鎧裝型熱電偶則是將熱電偶絲，絕緣材料和金屬保護(hù)套管三者組合裝配后，經(jīng)過(guò)拉伸加工而成的一種堅(jiān)實(shí)的組合體。但是熱電偶的電信號(hào)卻需要一種特殊的導(dǎo)線來(lái)進(jìn)行傳遞，這種導(dǎo)線我們稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。不同的熱電偶需要不同的補(bǔ)償導(dǎo)線，其主要作用就是與熱電偶連接，使熱電偶的參比端遠(yuǎn)離電源，從而使參比端溫度穩(wěn)定。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為補(bǔ)償型和延長(zhǎng)型兩種，延長(zhǎng)導(dǎo)線的化學(xué)成分與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕枷嗤?，但是?shí)際中，延長(zhǎng)型的導(dǎo)線也并不是用和熱電偶相同材質(zhì)的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導(dǎo)線代替。補(bǔ)償導(dǎo)線的與熱電偶的連線一般都是很明了，熱電偶的正極連接補(bǔ)償導(dǎo)線的紅色線?