熱電阻工作原理詳細(xì)解讀
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熱電阻是中低溫區(qū)最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。其中鉑熱是阻的測(cè)量精確度是最高的，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。
與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是，熱電阻工作原理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)犭娮璧淖柚底兓涂梢詼y(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(lèi)。
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(xiàn)性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車(chē)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。
熱電阻原理的測(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)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開(kāi)始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
2、熱電阻的類(lèi)型
1）普通型熱電阻
從熱電阻原理可知，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(xiàn)等各種導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)、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，最小可達(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(xiàn)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(xiàn)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。
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)犭娮瑁鳛闊犭娮璧慕饘俨牧弦话阋螅罕M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(最好呈線(xiàn)性關(guān)系)。
目前應(yīng)用最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(xiàn)性，溫度越高電阻變化率越小;銅電阻在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，溫度線(xiàn)數(shù)大，適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)，超過(guò)150易被氧化。中國(guó)最常用的有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)用最為廣泛。
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(xiàn)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(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的影響。
目前熱電阻的引線(xiàn)主要有三種方式
○1二線(xiàn)制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線(xiàn)來(lái)引出電阻信號(hào)的方式叫二線(xiàn)制：這種引線(xiàn)方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線(xiàn)必然存在引線(xiàn)電阻r，r大小與導(dǎo)線(xiàn)的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有關(guān)，因此這種引線(xiàn)方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合
○2三線(xiàn)制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線(xiàn)，另一端連接兩根引線(xiàn)的方式稱(chēng)為三線(xiàn)制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線(xiàn)電阻的影響，是工業(yè)過(guò)程控制中的最常用的引線(xiàn)電阻。
○3四線(xiàn)制：在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線(xiàn)的方式稱(chēng)為四線(xiàn)制，其中兩根引線(xiàn)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(xiàn)把U引至二次儀表�？梢�(jiàn)這種引線(xiàn)方式可完全消除引線(xiàn)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(xiàn)制接法。采用三線(xiàn)制是為了消除連接導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)(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(xiàn)制，將導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)線(xiàn)路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。工業(yè)上一般都采用三線(xiàn)制接法。熱電偶產(chǎn)生的是毫伏信號(hào)，不存在這個(gè)問(wèn)題。
熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成
(1)熱電阻工作原理測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線(xiàn)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
②為了消除連接導(dǎo)線(xiàn)電阻變化的影響，必須采用三線(xiàn)制接法。具體內(nèi)容參見(jiàn)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(xiàn)、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，最小可達(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(xiàn)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。
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