《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-3常用热电阻

热电阻常用的热电阻有铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻和半导体热敏电阻。1.导体热电阻1）铂热电阻铂热电阻是一种国际公认的成熟产品，它性能稳定、重复性好、精度高，所以在工业用温度传感器中得到了广泛应用。一般情况下，它的测温范围一般为－200～650℃。按0℃时的电阻值R（℃）的大小分为10Ω（分度号为Pt10）和100Ω（分度号为Pt100）等，测温范围较大，适合－200～850℃、10Ω铂热电阻的感温元件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于100Ω的铂热电阻，主要用于650℃以上的温区；100Ω铂热电阻主要用于650℃以下的温区，虽也可用于650℃以上温区，但在650℃以上温区不允许有A级误差核，“关于误差等级（如A级误差），通常与铂热电阻的精度和稳定性有关，不是简单地由其电阻值或应用温区决定”？，如REF_Ref12905\h图1所示。核，“关于误差等级（如A级误差），通常与铂热电阻的精度和稳定性有关，不是简单地由其电阻值或应用温区决定”？图1铂热电阻一般热电阻温度计适用于中、低温且热惰性较大场合的测量，其测温范围为－20～500℃。它测温精度高，并可进行远距离和多点测量。它的灵敏度不及热电偶，不适用于波动大、时间常数小的测温对象。2）铜热电阻由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，普遍采用铜热电阻进行温度测量，它的测量范围一般为－50～150℃。3）镍热电阻镍热电阻的电阻温度系数α较铂热电阻大，约为铂热电阻的1.5倍，使用温度范围为－50～300℃。但是，温度在200℃左右时，具有特异点，故多用于150℃以下。我国虽已规定其为标准化的热电阻，但还未制定出相应的标准分度表，故目前多用于温度变化范围小，灵敏度要求高的场合。上述3种热电阻均是标准化的热电阻温度计，其中铂热电阻还可用来制造精密的标准热电阻，而铜和镍只作为工业用热电阻。2.半导体热敏电阻半导体热敏电阻通常由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物的混合物烧结而成。热敏电阻的资源丰富、价格低廉、化学稳定性好，元件表面用玻璃等陶瓷材料封装，可用于环境较恶劣的场合。热敏电阻的资源丰富、价格低廉、化学稳定性好，元件表面用玻璃等陶瓷材料封装，可用于环境较恶劣的场合。有效地利用这些特点，可研制出灵敏度高、响应速度快、使用方便的温度计。半导体热敏电阻常用的材料由铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁等复合氧化物高温烧结而成。各种热敏电阻器的工作条件一定要在其出厂参数允许范围之内。热敏电阻的主要参数有十余项，即标称电阻值、使用环境温度（最高工作温度）、测量功率、额定功率、标称电压（最大工作电压）、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。其中，标称电阻值是在25℃零功率时的电阻值，实际上总有一定误差，应在±10%之内。普通热敏电阻的工作温度范围较大，可根据需要从－55～315℃中选择。值得注意的是，不同型号热敏电阻的最高工作温度差异很大，如MFI1片状负温度系数热敏电阻器为125℃，而MF53-1仅为70℃（一般不要超过50℃）。热敏电阻的主要缺点是其阻值与温度的关系呈非线性，元件的稳定性及互换性较差。而且除高温热敏电阻外，不能用于350℃以上的高温。3.特殊热电阻1）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𝜙1～8mm，最小可达𝜙0.25mm。通常测温范围为－200~600℃。与普通型热电阻相比，它具有下列优点。①体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小。②力学性能好，耐振，抗冲击。③能弯曲，便于安装。④使用寿命长。2）薄膜铂热电阻利用膜工艺改变原有的线绕工艺，制备薄膜铂电阻。它是利用真空镀膜法将纯铂直接蒸镀在绝缘的基板上而制成。它的测温范围是－50～600℃。由于薄膜热容量小，导热系数大，因此薄膜铂热电阻能够准确地测出物体表面的真实温度。薄膜铂热电阻的生产工艺成熟，产量高，适用于表面、狭小区域、快速测温及需要高阻值的场合。3）厚膜铂热电阻厚膜铂电阻是用高纯铂粉与玻璃粉混合，加有机载体调成糊状浆料，用丝网印刷在刚玉基片上。再绕结安装引线，调整电阻值。最后涂玻璃釉作为电绝缘保护层。厚膜铂电阻与线绕铂电阻的应用范围基本相同。在表面温度测量及在机械振动的环境下，应用明显优于线绕式热电阻。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隔绝。因受到火花或电弧等的影响，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。4.热电阻测温显示仪表与热电阻配套使用的二次仪表种类繁多，包括比率计、不平衡电桥、自动平衡电桥及铂电阻数字温度计等。这些仪表用于测量热电阻值，连接线路也不同。在选择适宜的仪表与线路时，必须依据测量对象的具体要求，注意以下两点。①热电阻和显示仪表的分度号必须一致，以确保测量结果的准确性。②为了有效消除连接导线电阻变化对测量结果的影响，必须采用三线制接法。1）平衡电桥测温图2（a）为平衡电桥测温基本原理图，图中Rt为热电阻，阻值随温度而变化，R2、R3为固定电阻，R1为可变电阻，由这四个电阻组成桥路的四个桥臂。G为检流计，E为电源。当Rt值改变时，桥路平衡被破坏，检流计G偏转，这时改变R1值，使电桥重新达到平衡，检流计G指零，这时有 Rt×R2= Rt=R1由于R2和R3都是固定的已知电阻，其比值为常数，所以被测电阻Rt与R1成正比，只要沿R1敷设标尺，便可根据触头位置读出被测电阻值，换算成被测温度。REF_Ref10357\h图2（b）所示是平衡电桥实际测温电路，R1、R2、R3是固定电阻，RH是滑线电阻（可变电阻），Rt是热电阻，Rw是把热电阻连接到电桥上去的连接导线电阻。其中R1＋r1、R2、R3和Rt＋2Rw＋（RH+r1）构成电桥的四个臂。另外在电桥的一条对角线cd上（又称电源对角线）接电源E，另一对角线ab上（又称测量对角线）接检流计。（a）平衡电桥测温原理图（b）平衡电桥两线接法实际测温原理图图2平衡电桥测温电路原理图平衡电桥测温具有以下特点：①电源的种类和稳定性一般不影响测量结果。②用平衡电桥测温是基于零值法，因此能得到较高的测量精度。③如把热电阻Rt置于滑线电阻RH的相邻桥臂上，就能得到线性的转换规律核，。在平衡电桥中，热电阻Rt核，。在平衡电桥中，热电阻Rt和滑线电阻RH（或其他桥臂上的电阻）的放置位置并不直接决定转换规律的线性性。转换规律的线性性取决于电桥的设计、电阻的温度特性以及测量电路的整体特性。④连接导线引起的环境温度附加误差，可采用三线接法（REF_Ref14272\h图3），把此项误差减到最小。应注意，工作电流始终流过热电阻Rt，对于标准型热电阻，准许通过的最大电流为7mA，超过此值电阻体会发热，引起测量误差。REF_Ref10357\h图2（b）中，除热电阻Rt和Rw铜连接导线电阻外，其余电阻都是用不随温度变化的锰铜线做成的。测量温度时，Rt置于被测介质中以感受被测温度的变化，而Rw处于测温现场的环境中，它随着环境温度会发生变化。采用二线法连接热电阻时，导线电阻的变化会影响测量结果。为了减小这项误差，多采用三线连接法（REF_Ref14272\h图3），即用三根电阻均为Rw的导线将热电阻与测温电桥相连。图3三线法平衡电桥测温原理图2）不平衡电桥测温不平衡电桥测温见REF_Ref2412\h图4，它的工作原理是当被测温度为下限值Tmin（相应于Rmin）时，电桥恰好处于平衡状态，测量对角线的电流Iy=0。当T≠Tmi时（Rt≠Rmi），电桥平衡被破坏，Iy≠0且随着T与Tmin偏差的加大，Iy的值也愈大。这样，只要能推导出Rt与Iy的关系，根据Iy的大小即可判断被测温度值。由推导可知， Iy=ER由上式可见，Iy与Rt呈非线性关系，也就是说不平衡电桥的转换规律Iy=f（Rt）是非线性的，且电源电压E的数值和稳定性对Iy有影响。为了消除电源的影响，不平衡电桥多采用稳压电源或稳流电源供电。式中Iy是检流计G的等效电阻。图4三线法不平衡电桥测温原理图不平衡电桥与平衡电桥相比，有以下特点：①虽然两者都可能存在连接导线引起的环境温度附加误差，但都可用三线接法予以减小。②不平衡电桥能连续地自动指示被测温度，而无需像平衡电桥那样另增加一套自动平衡装置，因此结构简单，价格便宜。③不平衡电桥具有非线性的转换规律。核，转换规律的线性性取决于电桥的具体设计和所使用的传感器，而不是不平衡电桥本身固有的特性。？核，转换规律的线性性取决于电桥的具体设计和所使用的传感器，而不是不平衡电桥本身固有的特性。？④电源电压的稳定性对不平衡电桥的测量结果有影响，特别是在高精度应用中，最好使用稳压电源（或稳流电源）供电。不平衡电桥在自动检测中应用极广，在配接热电阻的动圈仪表、数字仪表、电子电位差计的测量电路中都有应用。此外在温度变送器，热电偶冷端温度补偿电桥、电子秤、电磁流量计等很多仪表中都用到了不平衡电桥。3）有源四线制热电阻测温在热电阻测温电路中，采用恒流源供电可以构成四线制电路，如REF_Ref21744\h图5所示。这种接线方式主要用于高精度温度测量。其中两根引线为热电阻提供恒流源I，在热电阻上产生电压降U=IRt，通过另两根引线引至电位差计或高精度电压表进行测量。它能够完全消除引线电阻对测量的影响。图5有源四线制热电阻测温原理图4）热电阻变送器热电阻可以根据测温要求制成各种规格的温度传感器，一般不单独构成测温仪表，它只是显示仪表、变送仪表或计算机测量系统的测温元件。长距离传输热电阻温度传感器的测温信号时，容易引起多种误差。因此可以就地将热电阻传感器的测温信号通过转换电路变换成标准信号（如