 熱電阻測溫基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性。由導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的感溫器件稱為熱電阻。 熱電阻測溫的優(yōu)點是信號可以遠傳、靈敏度高、無需參比溫度。金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。其缺點是需要電源激勵、有自熱現(xiàn)象，影響測量精度。 金屬熱電阻 (1)熱電阻材料 對熱電阻的材料選擇有如下要求。 ①選擇電阻隨溫度變化成單值連續(xù)關(guān)系的材料，最好是呈線性或平滑特性，這一特性可以用分度公式和分度表描述。 ②有盡可能大的電阻溫度系數(shù)。電阻溫度系數(shù)一般表示為:  ③有較大的電阻率，以便制成小尺寸元件，減小測溫?zé)釕T性。0℃時的電阻值R0很重要，要選擇合適的大小，并有允許誤差要求。 ④在測溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定。 ⑤復(fù)現(xiàn)性好，復(fù)制性強，易于得到高純物質(zhì)，價格較便宜。 目前使用的金屬熱電生材料有鑰、鉑、鎳、鐵等。實際應(yīng)用最多的是銅、鉑兩種材料，并已實行標準化生產(chǎn)。 (2)工業(yè)熱電阻 ①鉑熱電阻使用范圍為-200~850℃， R0選用10Ω和100Ω兩種，分度號分別為Pt10和Pt100。鉑熱電阻的精度高，體積小，測溫范圍寬，穩(wěn)定性好，再現(xiàn)性好，但是價格較貴。在高溫下只適合在氧化氣氛中使用，真空和還原氣氛將導(dǎo)致電阻值迅速漂移。其電阻與溫度的關(guān)系為: 當(dāng)t≥0℃時 R(t)=R0(1+At+Bt2) 當(dāng)t <0℃時 R(t)=R 0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)] 式中 A=3.9083×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-2，C=-4.183×10-12℃-4 ②銅熱電阻 使用范圍為-40~140℃, R0選用50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Cu50和Cu100。銅熱電阻的線性較好；價格低；電阻率低，因而體積較大，熱響應(yīng)慢。但是利用這一特點可以制作測量區(qū)域平均溫度的感溫元件。其電阻與溫度的關(guān)系為: R(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3) (4-12) 式中 A=4.28899×10-3℃-1，B=-2.133×10-7℃-2，C=1.233×10-9℃-3 兩種熱電阻亦有分度表可查。表4-7和表4-8給出兩種熱電阻的特性及它們的分度表。 表4-7 工業(yè)熱電阻分類及特性
工業(yè)熱電阻結(jié)構(gòu)亦有普通型和鎧裝型兩種形式。 ①普通型熱電阻 其結(jié)構(gòu)如圖4-7(a)所示，主要由感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護套管和接線盒等部分組成。感溫元件是由細的鉑絲或銅絲繞在絕緣支架上構(gòu)成，為了使電阻體不產(chǎn)生電感，電阻絲要用無感繞法繞制，如圖4-7(b)所示，將電阻絲對折后雙繞，使電阻絲的兩端均由支架的同一側(cè)引出。對于保護套管的要求與熱電偶相同。 ②鎧裝熱電阻 用鎧裝電纜作為保護管-絕緣物-內(nèi)引線組件，前端與感溫元件連接，外部焊接短保護管，組成愷裝熱電阻.愷裝熱電阻外徑一般為2~8mm。其特點是體積小，熱響應(yīng)快，耐振動和沖擊性能好，除感溫元件部分外，其他部分可以彎曲，適合于在復(fù)雜條件下安裝。  (4)熱電阻引線方式 工業(yè)熱電阻安裝在測量現(xiàn)場，其引線電限對測量結(jié)果有較大影響。熱電限的引線方式有二線制、三線制和四線制三種，如圖4-8所示。二線翻方式是在熱電阻兩端各連一根導(dǎo)線，這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻隨環(huán)境溫度的變化會帶來附加誤差。只有當(dāng)引線電阻r與元件電阻值R滿足2r/R≤10-3時，引線電阻的影響才可以忽略。三線制方式是在熱電阻的一端連接兩根導(dǎo)線(其中一根作為電源線)，另一端連接一根導(dǎo)線。當(dāng)熱電阻與測量電橋配用時，分別將兩端引線接入兩個橋臂。就可以較好地消除引線電阻影響，提高測量精度，工業(yè)熱電阻測溫多用此種接法。四線制方式是在熱電阻兩端各連兩根導(dǎo)線，其中兩根引線為熱電限提供恒流源，在熱電阻上產(chǎn)生的壓降通過另外兩根導(dǎo)線接人電勢測量儀表進行測量，當(dāng)電勢測量端的電流很小時，可以完全消除引線電阻對測量的影響，這種引線方式主要用于高精度的溫度檢測。  為進一步了解三線制熱電阻接線方式的特點，以圖4-9為例進行詳細介紹。  圖4-9(a)所示為當(dāng)傳感器位于遠端時采用Pt100熱電阻配合惠斯通電橋測量溫度的兩線制接線方式。連接熱電阻和電橋的兩根長導(dǎo)線在25℃時的電阻均為10.5Ω，長導(dǎo)線材料的電阻溫度系數(shù)為0.385%/℃, R1、R2、R3為精密電阻且其阻值隨溫度的變換可以忽略。熱電阻隨被測溫度的變化范圍為100℃到105℃。在設(shè)計上述熱電阻測溫信號調(diào)理電路時，假設(shè)長導(dǎo)線所處環(huán)境溫度為25℃，為消除長導(dǎo)線電阻帶來的誤差，在左下橋臂中引入阻值為21Ω。的補償電阻Rcomp。由長導(dǎo)線所處環(huán)境溫度變化對測量造成的影響可根據(jù)如下定量分析決定。 ①當(dāng)長導(dǎo)線所處環(huán)境溫度為25℃時，Rlead=10.5Ω，電橋的愉出可表示為:  若Rt從100Ω變換到105Ω時，將其阻值代人上式.可得到對應(yīng)的電橋輸出V0的變化范圍為0→100.1mV。 ②當(dāng)長導(dǎo)線所處環(huán)境溫度為35℃時，Rlead=10.5(1+0.00385×10)≈10.904Ω，電橋的輸出仍可表示為:  對應(yīng)Rt從100Ω變換到105Ω，相應(yīng)的電橋輸出Vo的范圍為16.5mV→115.9mV。 相對于按圖4-9(a)考慮環(huán)境溫度為25℃設(shè)計的電橋電路，當(dāng)長導(dǎo)線所處環(huán)境溫度從25℃變化到35℃時，導(dǎo)致電橋?qū)嶋H輸出范圍從0~100.1mV變?yōu)榱?6.5~115.9mV，相應(yīng)的零點誤差和量程誤差為：  可見，通過采用三線制接線方式，由于熱電阻引線電阻隨環(huán)境溫度變化對測量帶來的影響可以基本忽略。  熱敏電阻 熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的溫敏元件。熱敏電阻有正溫度系數(shù)(PTC)、負溫度系數(shù)(NTC)和臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻三種，它們的溫度特性曲線如圖4-10所示。溫度檢測用熱敏電阻主要是負溫度系數(shù)熱敏電阻，PTC和CTR熱敏電阻則利用在特定溫度下電阻值急劇變化的特性構(gòu)成溫度開關(guān)器件。 負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似表示為:  式中，R(T)，R(T0)為熱敏電阻在溫度T、T0時的電阻值；B為取決于半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的常數(shù)。 根據(jù)電限溫度系數(shù)的定義，可求得負溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)αT為  由上式看出，電阻溫度系數(shù)αT是隨溫度T而變化的，所以熱敏電阻在低溫段比高組段要更靈敏；B值越大靈敏度越高。負溫度系數(shù)熱敏電阻的T0一般為25℃，故R(25℃)和B值是熱敏電阻的重要參數(shù)，要選擇合適的R (25℃)和B值，使熱敏電阻在測溫范圍內(nèi)有較好的穩(wěn)定性。熱敏電阻可以制成不同的結(jié)構(gòu)形式，有珠形、片形、桿形、薄膜形等。負溫度系數(shù)熱敏電阻主要由單晶以及錳、鎳、鈷等金屬氧化物制成，如有用于低溫的鍺電限、碳電阻和滲碳玻璃電阻；用于中高溫的混合氧化物電阻。在-50~300℃范圍，珠狀和柱狀的金屬氧化物熱敏電阻的穩(wěn)定性較好。 熱敏電阻的優(yōu)點是電阻溫度系數(shù)大，αT在-3×10-2~-6×10-2℃-1之間，為金屬電阻的十幾倍，故靈敏度高；電阻值高，引線電阻對測溫沒有影響，使用方便；體積小。熱響應(yīng)快；結(jié)構(gòu)簡單可靠，價格低廉；化學(xué)穩(wěn)定性好，使用壽命長。缺點是互換性差，每一品種的測溫范圍較窄，部分品種的穩(wěn)定性差。由于這些特點，熱敏電阻作為工業(yè)用測溫元件，在汽車和家電領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用。 |
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