第三章 温度测量热电阻

1、 第三节第三节 热电阻测温热电阻测温 工业上广泛应用电阻温度计来测量工业上广泛应用电阻温度计来测量 -200-200500500之间的温度。之间的温度。 特点特点: : 准确度高；准确度高； 在中低温下（在中低温下（ 500500以下）测温以下）测温, , 输出信号比热电输出信号比热电偶的要大得多偶的要大得多, ,故灵敏度高；故灵敏度高； 输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。换测量。 组成组成: :由热电阻、显示仪表由热电阻、显示仪表 和连接导线组成，热电阻由和连接导线组成，热电阻由 电阻体、绝缘套管和保护套电阻体、绝缘套管和保护套

2、管等主要部件组成。管等主要部件组成。 一、测温原理一、测温原理 根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。热电阻两种。 实验证明，大多数金属导体当温度升高实验证明，大多数金属导体当温度升高11时，时，其阻值要增加其阻值要增加0.40.40.60.6，半导体的阻值要减小，半导体的阻值要减小3 36 6。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。 并不是任何材料都选用来制作热电阻。对制作热并不是任何材料都选用来

3、制作热电阻。对制作热电阻的材料有很多要求电阻的材料有很多要求, ,其中有一点是选用的材料的电阻其中有一点是选用的材料的电阻温度系数要大。温度系数要大。 电阻温度系数的定义是：电阻温度系数的定义是：温度变化温度变化ll时电阻值的相时电阻值的相对变化量，用对变化量，用来表示，单位是来表示，单位是-1-1，根据定义，根据定义，用用下式表示：下式表示： 一般材料的温度系数一般材料的温度系数并非常数，在不同的温度下并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（具有不同的数值。因此常用（R R100100R R0 0）（）（R R0 0100100）代表代表0 0100100之间的平均温度系数，其中之

4、间的平均温度系数，其中R R100100表示表示100100时的电阻值，时的电阻值，R R0 0表示表示00时的电阻值。时的电阻值。 为什么要求制作热电阻的材料的电阻温度系为什么要求制作热电阻的材料的电阻温度系数要大？数要大？dtdRRdtRdR1 二、标准化热电阻二、标准化热电阻 1 1、 铂电阻铂电阻 特点：特点： 优点：优点： 稳定性好、准确度高、性能可靠。稳定性好、准确度高、性能可靠。 缺点：缺点： 在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变电阻与温度间的关系。性气体污染，铂丝将变脆，并改变电阻与温度间的关系。 纯

5、度要求：纯度要求：铂的纯度常以铂的纯度常以R R100100/R/R0 0来表示。对于工业用铂来表示。对于工业用铂电阻，规定其电阻，规定其R R100100/R/R0 0为为1.3851.385； 分度号：分度号：Pt10Pt10和和Pt100Pt100；（注意（注意1010和和100100的含义）的含义） 分度关系：分度关系：铂电阻的温度特性可用下列二式表示：铂电阻的温度特性可用下列二式表示：在在-200-20000之间之间 R Rt t=R=R0 0 1 + At + Bt1 + At + Bt2 2 + Ct+ Ct3 3(t-100) (t-100) 在在0 0850850之间之间 R

6、 Rt t=R=R0 0 (1 + At + Bt(1 + At + Bt2 2) ) 以上两式中以上两式中 R Rt ttt时的电阻值；时的电阻值； R R0 000时的电阻值；时的电阻值； A A， B B， C C常数，对于工业用铂电阻，常数，对于工业用铂电阻，A A 3.908023.908021010-3 -3 -1-1， B B5.8025.8021010-7 -7 -2 -2 , , C= C= 4.273504.273501010-12 -12 -4-4 2 2、铜电阻、铜电阻 特点：特点： 优点：电阻值与温度的关系几乎是线性的，电阻温度优点：电阻值与温度的关系几乎是线性的，电

7、阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，适系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，适用于一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场用于一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场合。测量范围是合。测量范围是-50-50+150+150。 缺点：在缺点：在250250以上容易氧化，因此只能用在低温及没以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电阻率有腐蚀性的介质中；铜的电阻率比较小，做成一定阻比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。值的热电阻时体积就不可能很小。 纯度：纯度：我国规定工业用铜电阻的我国规定工业用铜电阻的R R100100/R/R0 01.

8、4281.428。 分度号：分度号：铜电阻的分度号是铜电阻的分度号是Cu50Cu50和和Cul00Cul00，表示其，表示其R R0 0分分别为别为5050及及100100。 分度关系：分度关系：铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示：式表示： R Rt t=R=R0 0 (1 + At + Bt(1 + At + Bt2 2 +Ct+Ct3 3) ) 式中式中 R Rt ttt时的电阻值；时的电阻值； R R0 000时的电阻值时的电阻值 A A， B B， C C常数，对于工业用铜电阻，常数，对于工业用铜电阻，A A 4.288994.2889910

9、10-3 -3 -1-1 , B , B 2. 1332. 1331010-7 -7 -2 -2 ， C C1.2331.2331010-9 -9 -3 -3 。 由于铜电阻的特性在由于铜电阻的特性在 0 0100 100 之间基本上是线性之间基本上是线性的，所以在的，所以在 0 0 100100之间的温度特性可以用下式表示：之间的温度特性可以用下式表示： R Rt t=R=R0 0 (1 + t(1 + t）式中式中 0 0 100100之间的温度系数，等于之间的温度系数，等于 4.28 4.28 1010- -3 3 -1 -1 。三、半导体热敏电阻三、半导体热敏电阻 测温范围：测温范围：

10、-100-100300300 材料：金属氧化物以一定比例混合材料：金属氧化物以一定比例混合 分类：分类：NTCNTC、PTCPTC、CTRCTR NTCNTC的电阻温度特性的电阻温度特性: R: RT T=Ae=AeB B/T/T 特点（与金属测温电阻相比）特点（与金属测温电阻相比） 电阻系数大电阻系数大 电阻率大电阻率大 体积小体积小 非线性严重非线性严重 互换性差互换性差 稳定性不好稳定性不好 四、工业用热电阻的结构四、工业用热电阻的结构 由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成。其中保护套护套管、接线盒等部分组成。其中保护套管和接线盒的外形

11、及其功能、要求和热电管和接线盒的外形及其功能、要求和热电偶基本相同。偶基本相同。 铂电阻体结构铂电阻体结构1-银引出线；银引出线；2-铂丝；铂丝；3-锯齿形云母骨架；锯齿形云母骨架；4-保护保护用云母片；用云母片；5-银绑带；银绑带；6-铜电阻横截面；铜电阻横截面；7-保护套保护套管；管；8-石英骨架石英骨架 铜电阻体结构铜电阻体结构1-线圈骨架；线圈骨架；2-铜热电铜热电阻丝；阻丝；3-补偿组；补偿组；4-铜铜引出线引出线半导体热敏电阻结构半导体热敏电阻结构1-电阻体；电阻体；2-引出线；引出线；3-玻璃保护管；玻璃保护管；4-引出极；引出极；5-锡箔；锡箔；6-密封材料；密封材料；7-导体

12、导体 （a）普通工业热电阻）普通工业热电阻 (b) 铠装热电阻铠装热电阻 1-接线盒；接线盒；2-接线柱；接线柱； 1-感温元件；感温元件；2-金属套管；金属套管； 3-接线座；接线座；4-保护套管；保护套管； 3-金属导线金属导线; 4-绝缘材料；绝缘材料； 5-引出线；引出线；6-感温元件感温元件 5-接线盒接线盒 热电阻的结构示意图热电阻的结构示意图热电阻的结构 引出线引出线 （1）两线制）两线制 （2）三线制）三线制 （3）四线制）四线制 五、电阻的测量方法五、电阻的测量方法 对于热电阻阻值的测量对于热电阻阻值的测量, ,在实验室常用手动平衡电在实验室常用手动平衡电桥桥, ,在工业上常

13、采用自动平衡电桥和不平衡电桥。在工业上常采用自动平衡电桥和不平衡电桥。任何测量电阻的方法，都应注意：任何测量电阻的方法，都应注意：（1 1）通过热电阻的电流不能超过允许值；）通过热电阻的电流不能超过允许值；（2 2）连接导线的阻值要固定；）连接导线的阻值要固定；（3 3）连接导线的接线方式要尽量能消除环境温度的影响）连接导线的接线方式要尽量能消除环境温度的影响（采用三线制和四线制接线方式）（采用三线制和四线制接线方式） 下面主要介绍电桥测量法。下面主要介绍电桥测量法。1 1、用手动、用手动平衡电桥测电阻平衡电桥测电阻 2 2、用自动平衡电桥测电阻、用自动平衡电桥测电阻自动平衡电桥的测量桥路自动

14、平衡电桥的测量桥路 3 3、用不平衡电桥测电阻、用不平衡电桥测电阻热电阻的两线制接法示意热电阻的两线制接法示意 热电阻引线的三线制接法示意热电阻引线的三线制接法示意 恒流驱动四线制多路测温恒流驱动四线制多路测温 恒流驱动三线制多路测温恒流驱动三线制多路测温 三线制热电阻电桥多路测量电路三线制热电阻电桥多路测量电路 两线制热电阻电桥多路测量电路两线制热电阻电桥多路测量电路 热电阻温度计的应用热电阻温度计的应用 热电阻的误差分析热电阻的误差分析 （1）动态误差 （2）连线电阻变化引起测量误差 （3）热电阻通电发热引起误差 （4）机械力带来的误差 （5）氧化带来的误差（6）淬火效应的误差 六、热电阻

15、的校验六、热电阻的校验工业热电阻的校验采用比较法。工业热电阻的校验采用比较法。第四节第四节 测温实例测温实例 采用接触式测温方法测量温度时，温度计指示的温度采用接触式测温方法测量温度时，温度计指示的温度只是感温元件本身的温度。若要使测温仪表的感温元件输只是感温元件本身的温度。若要使测温仪表的感温元件输出反映被测温度，需满足以下条件：出反映被测温度，需满足以下条件： （1 1）温度计和被测对象组成孤立的热平衡系统；）温度计和被测对象组成孤立的热平衡系统； （2 2）温度计的热容和热阻为零。）温度计的热容和热阻为零。 但实际测温中，温度计除与被测对象进行热交换外，但实际测温中，温度计除与被测对象进

16、行热交换外，还要与周围环境交换热量；再有温度计的热容和热阻也不还要与周围环境交换热量；再有温度计的热容和热阻也不可能为零。各种因素的影响使得温度计的输出与被测真实可能为零。各种因素的影响使得温度计的输出与被测真实温度不同，有时两者的差别很大。单靠提高测温仪表的准温度不同，有时两者的差别很大。单靠提高测温仪表的准确度是不能减小此偏差的，只有通过分析测温对象，选择确度是不能减小此偏差的，只有通过分析测温对象，选择合理的测温技术，才有可能获得准确的温度值。合理的测温技术，才有可能获得准确的温度值。 一、一、 管内流体温度的测量管内流体温度的测量 式中式中 、 管内外介质对测温管之间的放热系数；管内外

17、介质对测温管之间的放热系数； 、 管内外两段测温管的热导率，管内外两段测温管的热导率， = = 、 、 两段测温管的截面周长，两段测温管的截面周长， = = 、 管道内、外两段测温管的截面积，管道内、外两段测温管的截面积， = = 、 管道内外测温管的长度。管道内外测温管的长度。 1212121F2F1F2F1L2L1V2V1L2L2L1L 要想减小这个误差，需要减小分子项，增大分母项，要想减小这个误差，需要减小分子项，增大分母项，现在我们来讨论一下误差公式。现在我们来讨论一下误差公式。 (1)(1) 为管道当中流体与管外介质的温差，为了减小这个为管道当中流体与管外介质的温差，为了减小这个误差

18、应该把露在管道外侧的测温管用保温材料包起来，误差应该把露在管道外侧的测温管用保温材料包起来，使得测温管露出部分的温度提高，减小热电偶对外导热使得测温管露出部分的温度提高，减小热电偶对外导热损失。损失。 (2)(2) 和和 要使要使 和和 增大，必定有增大，必定有 增大。增大。(3)(3) 必有必有 0310()()tttt11()ch b L1110()()th b Ltt)()(0122ttLbcth03()tt11()ch b L11()th b L11b L)(22Lbcth22b L 对管内流体温度进行测量时温度计的安装通常要考虑以对管内流体温度进行测量时温度计的安装通常要考虑以下几点

19、：下几点：1. 1. 测点位置要选在有代表性的地点，不能在温度的死角区域；测点位置要选在有代表性的地点，不能在温度的死角区域；2. 2. 要保证测温元件有一定的插入深度，元件的感温点应处于管要保证测温元件有一定的插入深度，元件的感温点应处于管道中心流速最大处。对于直径大的管道，测温元件可垂直插道中心流速最大处。对于直径大的管道，测温元件可垂直插入；为增加插入深度，可迎着流体流动的方向斜向插入测温入；为增加插入深度，可迎着流体流动的方向斜向插入测温元件；对于内径较小的管道，测温元件可插入弯头处或加装元件；对于内径较小的管道，测温元件可插入弯头处或加装扩大管。图给出了几种常见的测温元件安装方式。扩

20、大管。图给出了几种常见的测温元件安装方式。（a a）垂直安装）垂直安装 （b b）倾斜安装（）倾斜安装（c c）弯管处安装）弯管处安装 （d d）扩大管安装）扩大管安装 3. 3. 对于高温管道，在测点引出处要加保温材料隔热，以减小热对于高温管道，在测点引出处要加保温材料隔热，以减小热损失带来的测量误差。损失带来的测量误差。 各种测温管装置方案的测量误差比较各种测温管装置方案的测量误差比较 温度计安装在蒸汽管道不同位置上测温的情况。该温度计安装在蒸汽管道不同位置上测温的情况。该管道内径是管道内径是100100毫米，汽压毫米，汽压3MPa3MPa，汽温为，汽温为386386，流速为，流速为303

21、03535米秒。米秒。 二、二、 壁面温度测量壁面温度测量采用热电偶来测量固体表面温度采用热电偶来测量固体表面温度（a a）点接触）点接触 （2 2）面接触）面接触 （3 3）等温线接触）等温线接触 （4 4）分立接触）分立接触测量误差不仅仅与热电偶测量端的接触形式有关，而且测量误差不仅仅与热电偶测量端的接触形式有关，而且与被测面的导热能力有关，如被测固体表面为玻璃、陶与被测面的导热能力有关，如被测固体表面为玻璃、陶瓷等，它们的导热性能差，这时采用（瓷等，它们的导热性能差，这时采用（a a）接触形式，）接触形式，则误差很大，而采用（则误差很大，而采用（b b）接触形式则误差大大减小，）接触形式则误差大大减小，这是因为金属片导热性能好，当金属片有比较大的面积这是因为金属片导热性能好，当金属片有比较大的