熱電阻接入電路兩線制和三線制接線法的分析

1、1.10 熱電阻接入電路兩線制和三線制接線法的分析 熱電阻接入電路 兩線制 三線制 接線法 1 分析兩線制由于引線電阻的誤差 圖1-12中，r為引線的電阻，Rt為Pt電阻，其中由歐姆定律可得： 當Rr=Rt時（電橋平衡），V0=-I22r 。 從V0的表達式可以看出，引線電阻的影響十分明顯，兩線制接線法的誤差很大。 2 分析三線制如何消除引線電阻的誤差 三線制接線法由圖1-13所示，由歐姆定律可得： 當Rr=Rt時，電橋平衡，I1=I2，V0=0。 可見三線制接線法可很好的消除引線電阻，提高熱電阻的精度。 工業(yè)用熱電阻溫度計的使用注意事項     熱電阻

2、溫度計是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)來測量溫度的，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用來測量(-100500)范圍的溫度，其主要特點是測溫準確度高，便于自動測量。由于熱電偶在低溫范圍中產(chǎn)生的熱電勢小，因而對測量儀表要求嚴格，而采用熱電阻溫度計測量低溫是很適宜的。    熱電阻溫度計按結(jié)構(gòu)形式可分為普通工業(yè)型、鎧裝型及特殊型等。    常用的普通工業(yè)型熱電阻主要有:    1.鉑熱電阻:廣泛用來測量(-200850)范圍內(nèi)的溫度。在少數(shù)情況下，低溫可測至1K，高溫可測至1000。其物

3、理、化學性能穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，但價格昂貴。鉑熱電阻與溫度是近似線性關(guān)系。其分度號主要有Pt10和Pt100。    2.銅熱電阻:廣泛用來測量(-50150)范圍內(nèi)的溫度。其優(yōu)點是高純銅絲容易獲得，價格便宜，互換性好，但易于氧化。銅熱電阻與溫度呈線性關(guān)系。其分度號主要有Cu50和Cu100。    鎧裝熱電阻是在鎧裝熱電偶的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，由熱電阻、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成，其特點是外形尺寸可以做得很小(最小直徑可達20毫米)，因而反應速度快，有良好的機械性能，耐振耐沖擊，具有良好的撓性，且不易受有害介質(zhì)的

4、侵蝕。    使用熱電阻前必須檢查它的好環(huán)，簡易的檢查方法是將熱電阻從保護管中抽出，用萬用表測量其電阻。若萬用表讀數(shù)為“0"或者萬用表讀數(shù)小于R0值，則該熱電阻已短路，必須找出短路處進行修復；若萬用表讀數(shù)為“"，則該熱電阻已斷路，不能使用；若萬用表讀數(shù)比R0的阻值偏高一些，說明該熱電阻是正常的。    熱電阻的阻值不正確時，應從下部端點交叉處增減電阻絲，而不應從其它處調(diào)整。完全調(diào)好后應將電阻絲排列整齊，不能碰接，仍按原樣包扎好。    經(jīng)修復的熱電阻，必須

5、經(jīng)過檢定合格后方可使用。    熱電阻安裝時，其插入深度不小于熱電阻保護管外徑的8倍10倍，盡可能使熱電阻受熱部分增長。熱電阻盡可能垂直安裝，以防在高溫下彎曲變形。熱電阻在使用中為了減小輻射熱和熱傳導所產(chǎn)生的誤差，應盡量使保護套管表面和被測介質(zhì)溫度接近，減小熱電阻保護套管的黑色系數(shù)。    當用與熱電阻相配的二次儀表測量溫度時，熱電阻安置在被測溫度的現(xiàn)場，而二次儀表則放置在操作室內(nèi)。如果用不平衡電橋來測量，那么連接熱電阻的導線都分布在橋路的一個臂上。由于熱電阻與儀表之間一般都有一段較長的距離，因此兩根連接導線的電阻

6、隨溫度的變化，將同熱電阻阻值的變化一起加在不平衡電橋的一個臂上，使測量產(chǎn)生較大的誤差。為減小這一誤差，一般在測溫熱電阻與儀表連接時，采用三線制接法(圖1)，即從熱電阻引出三根導線，將連接熱電阻的兩根導線正好分別處于相鄰的兩個橋臂內(nèi)(圖2)。當環(huán)境溫度變化而使導線電阻值改變時，其產(chǎn)生的作用正好互相抵消，使橋路輸出的不平衡電壓不會因之而改變。另一導線電阻R1的變動，僅對供橋電壓有極微小的影響，但在準確度范圍內(nèi)。其示意圖如下所示:          圖1  熱電阻的三線制 

7、0;       圖2  熱電阻的三線制接法第四節(jié)熱阻式測溫方法本節(jié)概述 熱阻式測溫是根據(jù)金屬導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而達到測溫的目的。 用于制造熱電阻的材料，電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。另外，材料的物理、化學性質(zhì)要穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，易提純，同時價格盡可能便宜。 熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高，易于連續(xù)測量，可以遠傳（與熱電偶相比），無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高，互換性好，精度高，可以用作基準儀表。熱電阻主要缺點

8、是需要電源激勵，有自熱現(xiàn)象（會影響測量精度），測量溫度不能太高。 常用熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和半導體熱敏電阻。 一、鉑電阻測溫 1概述 鉑電阻的電阻率較大，電阻一溫度關(guān)系呈非線性，但測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學性質(zhì)都很穩(wěn)定。國際ITS-90規(guī)定，在-2593596178溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計作為基準溫度儀器。 鉑的純度用百度電阻比W100表示。它是鉑電阻在100時電阻值R100與0時電阻值R0之比，即W100 R100R0。W100越大，其純度越高。目前技術(shù)已達到W10013930，其相應的鉑純度為999995。國際ITS-90規(guī)

9、定，作為標準儀器的鉑電阻的W100應大于l3925。一般工業(yè)用鉑電阻的W100應大于13850。 目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用；而Pt10是用較粗的鉑絲制作的，主要用于600以上的測溫。鉑電阻測溫范圍通常最大為-200850。在550以上高溫（真空和還原氣氛將導致電阻值迅速漂移） 只適合在氧化氣氛中使用。鉑電阻與溫度的關(guān)系為 當-200<t<0時 （6-6）當0t850時式中，0為溫度為零時鉑熱電阻的電阻值（Ptl00為100，Pt10為10）； R（t）為溫度為t時鉑熱電阻的電阻值； A、B、C為系數(shù)，A3908 02×10-3-

10、1；B58019×10-7-2；C427350×10-12-4。 據(jù)公式（6-6）制成的工業(yè)鉑熱電阻分度表見附錄1的附表1-1和附表1-2。 2熱電阻的結(jié)構(gòu) 工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。 圖6-3工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu) 1-電阻絲；2-保護管；3-安裝固定件；4-接線盒熱電阻主要由感溫元件、內(nèi)引線、保護管三部分組成。通常還具有與外部測量及控制裝置、機械裝置連接的部件。它的外形與熱電偶相似，使用時要注意避免用錯。 熱電阻感溫元件是用來感受溫度變化的電阻器，它是熱電阻的核心部分，由電阻絲及絕緣骨架構(gòu)成。作為熱電阻絲的材料應具備如下條件： 電阻溫度系數(shù)大，線性好，性能穩(wěn)定；

11、 使用溫度范圍廣，加工方便； 固有電阻大，互換性好，復制性強。 能夠滿足上述要求的絲材，最好是純鉑絲。我國純鉑絲品種及應用范圍如表64所示。 表6-4純鉑絲品種及應用絕緣骨架是用來纏繞、支承或固定熱電阻絲的支架。它的質(zhì)量將直接影響電阻的性能。因此，作為骨架材料應滿足如下要求： 在使用溫度范圍內(nèi)，電絕緣性能好； 熱膨脹系數(shù)要與熱電阻相近； 物理及化學性能穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物質(zhì)污染熱電阻絲； 足夠的機械強度及良好的加工性能； 比熱容小，熱導率大。 目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。用不同骨架可制成多種熱電阻感溫元件。采用云母骨架的感溫元件特點是：抗機械振動性能強，響應快。很久以來多用云母

12、做骨架。但是，由于云母是天然物質(zhì)，其質(zhì)量不穩(wěn)定，即使是優(yōu)質(zhì)云母，在600以上也要放出結(jié)晶水并產(chǎn)生變形。所以，采用云母骨架的感溫元件使用溫度宜在500以下。 因其電阻絲并非完全固定，故受熱后引起電阻變化小，電阻性能比較穩(wěn)定，但體積較大，不適宜在狹小場所進行測量，并且響應時間較長。 采用玻璃骨架的感溫元件特點是：體積小，響應快，抗振性強。因鉑絲已固定在玻璃骨架上，故在使用中不產(chǎn)生變形，因此，必須選取與電阻絲具有相同膨脹系數(shù)的玻璃作骨架，否則，當溫度變化時引起膨脹或收縮，就會改變熱電阻的性能。其結(jié)構(gòu)如圖63所示。感溫元件較通用的尺寸是外徑為14mm，長度為1040mm。這種玻璃骨架的軟化點約為450

13、，最高安全使用溫度為400，而且，低溫到4K仍然可用。 采用陶瓷骨架的感溫元件特點是：體積小，響應快，絕緣性能好。使用溫度上限可達960。陶瓷骨架的缺點是機械強度差，不易加工。 3熱電阻的引線形式 內(nèi)引線是熱電阻出廠時自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測量及控制裝置相連接。內(nèi)引線通常位于保護管內(nèi)。因保護管內(nèi)溫度梯度大，作為內(nèi)引線要選用純度高且不產(chǎn)生熱電動勢的材料。對于工業(yè)鉑熱電阻而言，中低溫用銀絲作引線，高溫用鎳絲。這樣，既可降低成本，又能提高感溫元件的引線強度。對于銅和鎳熱電阻的內(nèi)引線，一般都用銅、鎳絲。為了減少引線電阻的影響，內(nèi)引線直徑通常比熱電阻絲的直徑大很多。 熱電阻的外引線有

14、兩線制、三線制及四線制三種，如圖6-4所示。 兩線制 如圖6-4（a）所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導線的引線形式為兩線制熱電阻。這種兩線制熱電阻配線簡單，安裝費用低，但要帶進引線電阻的附加誤差。因此，不適用于高精度測溫場合使用。并且在使用時引線及導線都不宜過長。采用兩線制的測溫電橋如圖6-5所示，（a）為接線示意圖，（b）為等效原理圖。從圖中可以看出熱電阻兩引線電阻RW和熱電阻RW一起構(gòu)成電橋測量臂，這樣引線電阻RW因沿線環(huán)境溫度改變引起的阻值變化量2RW和因被測溫度變化引起熱電阻Rt的增量值Rt一起成為有效信號被轉(zhuǎn)換成測量信號，從而影響溫度測量精度。 圖6-4感溫無件的引線形式-接線

15、端子；-感溫元件；、-接線端子的標號（a）示意圖（b）等效原理圖圖6-5兩線制熱電阻測量電橋三線制 如圖6-4（b）所示，在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線形式稱為三線制熱電阻。用它構(gòu)成如圖6-6所示測量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測中應用最廣。而且，在測溫范圍窄或?qū)Ь€長，導線途中溫度易發(fā)生變化的場合必須考慮采用三線制熱電阻。 四線制 如圖6-4（c）所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線，此種引線形式稱為四線制熱電阻。在高精度測量時，要采用如圖6-7所示四線制測溫電橋。此種引線方式不僅可以消除內(nèi)引線電阻的影響，而且在連

16、接導線阻值相同時，可消除該電阻的影響，還可以通過CPU定時控制繼電器的一對觸點C和D的通斷，改變測量熱電阻中的電流方向，消除測量過程中的寄生電勢影響。 （a）示意圖（b）等效原理圖圖6-6三線制熱電阻測量電橋（a）示意圖（b）等效原理圖圖6-7四線制熱電阻測量電橋另外，為保護感溫元件、內(nèi)引線免受環(huán)境的有害影響，熱電阻外面往往裝有可拆卸式或不可拆卸式的保護管。保護管的材質(zhì)有金屬、非金屬等多種材料，可根據(jù)具體使用特點選用合適的保護管。 二、銅電阻和熱敏電阻測溫 銅電阻 銅電阻的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的12左右）而體積較大，熱響應慢；另因銅在2

17、50以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號分別為Cu50和Cu100）一般工作溫度范圍為40120。其電阻值與溫度的關(guān)系為 當50t150時，R（t）R0（1+At+Bt2+Ct3）（6-7）式中，R0為溫度為零時銅熱電阻的電阻值（Cu100為100 Q，Cu50為50 Q）；R（t） 為溫度為t時銅熱電阻的電阻值；A，B，C為系數(shù)。A4.28899×10-3-1；B2.133×10-7-2；C1.233×10-9-3。 根據(jù)公式（6-6）制成的工業(yè)用銅熱電阻分度表見附表1-3和附表1-4。 半導體熱敏電阻 目前世界各國，特別是工業(yè)化國家，在低溫段-5

18、0350且測溫要求不高的場合，采用半導體熱敏元件作溫度傳感器。大量用于各種溫度測量、溫度補償及要求不高的溫度控制。 （1）熱敏電阻的優(yōu)點 熱敏電阻和熱電阻、熱電偶及其他接觸式感溫元件相比具有下列優(yōu)點： 靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大12個數(shù)量級；由于靈敏度高，可大大降低后面調(diào)理電路的要求； 標稱電阻有幾歐到十幾兆歐之間的不同型號和規(guī)格，因而不僅能很好地與各種電路匹配，而且遠距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響； 體積小（最小珠狀熱敏電阻直徑僅0.10.2 mm），可用來測量“點溫”； 熱慣性小，響應速度快，適用于快速變化的測量場合； 結(jié)構(gòu)簡單、堅固，能承受較大的沖擊、振動，采用玻璃、陶瓷等材料密封包裝后，可應用于有腐蝕性氣氛的惡劣環(huán)境； 資源豐富，制作簡單，可方便地制成各種形狀（如圖6-8所示），易于大批量生產(chǎn)，成本和價格十分低廉。 圖6-8熱敏電阻