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技術文章

熱電阻

熱電阻是中低溫區*常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量**度是*高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。金屬熱電阻的感溫元件有石英套管十字骨架結構，麻花骨架結構得桿式結構等。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多，*常用的是鉑絲。工業測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，可實現工業化大批量生產。其中骨架用陶瓷，引線采用鉑鈀合金。

　　熱電阻材料熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用*多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。

種類：

　　1）普通型熱電阻

　　從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。

　　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實體，它的外徑一般為φ2--φ8mm，*小可達φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優點：①體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。

　　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端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

　　4）隔爆型熱電阻

　　隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。熱電阻的測溫原理與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。

　　金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示，即

　　Rt=Rt0[1+α（t-t0）]

　　式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時對應電阻值；α為溫度系數。

　　半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為

　　Rt=AeB/t

　　式中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導體材料的結構的常數。

　　相比較而言，熱敏電阻的溫度系數更大，常溫下的電阻值更高（通常在數千歐以上），但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩定性好、性能可靠，在程控制中的應用極其廣泛。

　　工業上常用金屬熱電阻從電阻隨溫度的變化來看，大部分金屬導體都有這個性質，但并不是都能用作測溫熱電阻，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩定的溫度系數、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具有穩定的化學物理性能、材料的復制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數關系（*好呈線性關系）。

　　目前應用*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，穩定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小；銅電阻在測溫范圍內電阻值和溫度呈線性關系，溫度線數大，適用于無腐蝕介質，超過150易被氧化。中國*常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種，它們的分度號分別為Pt10、Pt100、Pt1000；銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應用*為廣泛。

熱電阻的信號連接方式

　　熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業用熱電阻安裝在生產現場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響。

　　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線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合

　　○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，是工業過程控制中的*常用的^[1]。

　　○3四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導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轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見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。

　　熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導線電阻引起的測量誤差。這是因為測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橋臂電阻，其連接導線（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境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導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，這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。

熱電阻的結構

　　（1）精通型熱電阻：工業常用熱電阻感溫元件（電阻體）的結構及特點。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。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實體，它的外徑一般為φ2~φ8mm，*小可達φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優點：

　　①體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；

　　②機械性能好、耐振，抗沖擊；

　　③能彎曲，便于安裝

　　④使用壽命長。

　　（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端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

　　（4）隔爆型熱電阻：隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。

熱電阻測溫系統的組成

　　（1）熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點：

　　①熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致

　　②為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。具體內容參見本篇第三章。

　　（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實體，它的外徑一般為φ2~φ8mm，*小可達φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優點：

　　①體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；

　　②機械性能好、耐振，抗沖擊；

　　③能彎曲，便于安裝

　　④使用壽命長。

　　（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端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

　　（4）隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內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，焊后要校驗合格后才能使用。
　熱電阻的安裝要求

　　對熱電阻的安裝,應注意有利于測溫準確,**可考及維修方便,而且不影響設備運行和生產操作.要滿足以上要求,在選擇對熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點:

　　1、為了使熱電阻的測量端與被測介質之間有充分的熱交換,應合理選擇測點位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設備的死角附近裝設熱電阻.

　　2、帶有保護套管的熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測量誤差,熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度:

　　(1)對于測量管道中心流體溫度的熱電阻,一般都應將其測量端插入到管道中心處(垂直安裝或傾斜安裝).如被測流體的管道直徑是200毫米,那熱電阻插入深度應選擇100毫米;

　　(2)對于高溫高壓和高速流體的溫度測量(如主蒸汽溫度),為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發生斷裂,可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電阻.淺插式的熱電阻保護套管,其插入主蒸汽管道的深度應不小于75mm;熱套式熱電阻的標準插入深度為100mm;

　　(3)假如需要測量是煙道內煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電阻插入深度1 m即可.

　　(4)當測量原件插入深度超過1m時,應盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護套管.

熱電偶和熱電阻的區別

　　熱電偶與熱電阻均屬于溫度測量中的接觸式測溫，盡管其作用相同都是測量物體的溫度，但是他們的原理與特點卻不盡相同。

　　首先，介紹一下熱電偶，熱電偶是溫度測量中應用*廣泛的溫度器件，他的主要特點就是測溫范圍寬，性能比較穩定，同時結構簡單，動態響應好，更能夠遠傳4-20mA電信號，便于自動控制和集中控制。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應。將兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢，這種現象稱為熱電效應，又稱為塞貝克效應。閉合回路中產生的熱電勢有兩種電勢組成；溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一導體的兩端因溫度不同而產生的電勢，不同的導體具有不同的電子密度，所以他們產生的電勢也不相同，而接觸電勢顧名思義就是指兩種不同的導體相接觸時，因為他們的電子密度不同所以產生一定的電子擴散，當他們達到一定的平衡后所形成的電勢，接觸電勢的大小取決于兩種不同導體的材料性質以及他們接觸點的溫度。目前國際上應用的熱電偶具有一個標準規范，國際上規定熱電偶分為八個不同的分度，分別為B，R，S，K，N，E，J和T，其測量溫度的*低可測零下270℃，*高可達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則稱為廉價金屬熱電偶。熱電偶的結構有兩種，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套管三者組合裝配后，經過拉伸加工而成的一種堅實的組合體。但是熱電偶的電信號卻需要一種特殊的導線來進行傳遞，這種導線我們稱為補償導線。不同的熱電偶需要不同的補償導線，其主要作用就是與熱電偶連接，使熱電偶的參比端遠離電源，從而使參比端溫度穩定。補償導線又分為補償型和延長型兩種，延長導線的化學成分與被補償的熱電偶相同，但是實際中，延長型的導線也并不是用和熱電偶相同材質的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導線代替。補償導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償導線的紅色線?

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