《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 3-3常用熱電阻

熱電阻常用的熱電阻有鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。1.導(dǎo)體熱電阻1）鉑熱電阻鉑熱電阻是一種國(guó)際公認(rèn)的成熟產(chǎn)品，它性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高，所以在工業(yè)用溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。一般情況下，它的測(cè)溫范圍一般為－200～650℃。按0℃時(shí)的電阻值R（℃）的大小分為10Ω（分度號(hào)為Pt10）和100Ω（分度號(hào)為Pt100）等，測(cè)溫范圍較大，適合－200～850℃、10Ω鉑熱電阻的感溫元件是用較粗的鉑絲繞制而成，耐溫性能明顯優(yōu)于100Ω的鉑熱電阻，主要用于650℃以上的溫區(qū)；100Ω鉑熱電阻主要用于650℃以下的溫區(qū)，雖也可用于650℃以上溫區(qū)，但在650℃以上溫區(qū)不允許有A級(jí)誤差核，“關(guān)于誤差等級(jí)（如A級(jí)誤差），通常與鉑熱電阻的精度和穩(wěn)定性有關(guān)，不是簡(jiǎn)單地由其電阻值或應(yīng)用溫區(qū)決定”？，如REF_Ref12905\h圖1所示。核，“關(guān)于誤差等級(jí)（如A級(jí)誤差），通常與鉑熱電阻的精度和穩(wěn)定性有關(guān)，不是簡(jiǎn)單地由其電阻值或應(yīng)用溫區(qū)決定”？圖1鉑熱電阻一般熱電阻溫度計(jì)適用于中、低溫且熱惰性較大場(chǎng)合的測(cè)量，其測(cè)溫范圍為－20～500℃。它測(cè)溫精度高，并可進(jìn)行遠(yuǎn)距離和多點(diǎn)測(cè)量。它的靈敏度不及熱電偶，不適用于波動(dòng)大、時(shí)間常數(shù)小的測(cè)溫對(duì)象。2）銅熱電阻由于鉑是貴重金屬，因此，在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，普遍采用銅熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，它的測(cè)量范圍一般為－50～150℃。3）鎳熱電阻鎳熱電阻的電阻溫度系數(shù)α較鉑熱電阻大，約為鉑熱電阻的1.5倍，使用溫度范圍為－50～300℃。但是，溫度在200℃左右時(shí)，具有特異點(diǎn)，故多用于150℃以下。我國(guó)雖已規(guī)定其為標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻，但還未制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分度表，故目前多用于溫度變化范圍小，靈敏度要求高的場(chǎng)合。上述3種熱電阻均是標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻溫度計(jì)，其中鉑熱電阻還可用來(lái)制造精密的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻，而銅和鎳只作為工業(yè)用熱電阻。2.半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻通常由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物的混合物燒結(jié)而成。熱敏電阻的資源豐富、價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好，元件表面用玻璃等陶瓷材料封裝，可用于環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合。熱敏電阻的資源豐富、價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好，元件表面用玻璃等陶瓷材料封裝，可用于環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合。有效地利用這些特點(diǎn)，可研制出靈敏度高、響應(yīng)速度快、使用方便的溫度計(jì)。半導(dǎo)體熱敏電阻常用的材料由鐵、鎳、錳、鈷、鉬、鈦、鎂等復(fù)合氧化物高溫?zé)Y(jié)而成。各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其出廠參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項(xiàng)，即標(biāo)稱(chēng)電阻值、使用環(huán)境溫度（最高工作溫度）、測(cè)量功率、額定功率、標(biāo)稱(chēng)電壓（最大工作電壓）、工作電流、溫度系數(shù)、材料常數(shù)、時(shí)間常數(shù)等。其中，標(biāo)稱(chēng)電阻值是在25℃零功率時(shí)的電阻值，實(shí)際上總有一定誤差，應(yīng)在±10%之內(nèi)。普通熱敏電阻的工作溫度范圍較大，可根據(jù)需要從－55～315℃中選擇。值得注意的是，不同型號(hào)熱敏電阻的最高工作溫度差異很大，如MFI1片狀負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器為125℃，而MF53-1僅為70℃（一般不要超過(guò)50℃）。熱敏電阻的主要缺點(diǎn)是其阻值與溫度的關(guān)系呈非線(xiàn)性，元件的穩(wěn)定性及互換性較差。而且除高溫?zé)崦綦娮柰猓荒苡糜?50℃以上的高溫。3.特殊熱電阻1）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??1～8mm，最小可達(dá)??0.25mm。通常測(cè)溫范圍為－200~600℃。與普通型熱電阻相比，它具有下列優(yōu)點(diǎn)。①體積小，內(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性小，測(cè)量滯后小。②力學(xué)性能好，耐振，抗沖擊。③能彎曲，便于安裝。④使用壽命長(zhǎng)。2）薄膜鉑熱電阻利用膜工藝改變?cè)械木€(xiàn)繞工藝，制備薄膜鉑電阻。它是利用真空鍍膜法將純鉑直接蒸鍍?cè)诮^緣的基板上而制成。它的測(cè)溫范圍是－50～600℃。由于薄膜熱容量小，導(dǎo)熱系數(shù)大，因此薄膜鉑熱電阻能夠準(zhǔn)確地測(cè)出物體表面的真實(shí)溫度。薄膜鉑熱電阻的生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)量高，適用于表面、狹小區(qū)域、快速測(cè)溫及需要高阻值的場(chǎng)合。3）厚膜鉑熱電阻厚膜鉑電阻是用高純鉑粉與玻璃粉混合，加有機(jī)載體調(diào)成糊狀漿料，用絲網(wǎng)印刷在剛玉基片上。再繞結(jié)安裝引線(xiàn)，調(diào)整電阻值。最后涂玻璃釉作為電絕緣保護(hù)層。厚膜鉑電阻與線(xiàn)繞鉑電阻的應(yīng)用范圍基本相同。在表面溫度測(cè)量及在機(jī)械振動(dòng)的環(huán)境下，應(yīng)用明顯優(yōu)于線(xiàn)繞式熱電阻。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)部爆炸性混合氣體隔絕。因受到火花或電弧等的影響，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。4.熱電阻測(cè)溫顯示儀表與熱電阻配套使用的二次儀表種類(lèi)繁多，包括比率計(jì)、不平衡電橋、自動(dòng)平衡電橋及鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)等。這些儀表用于測(cè)量熱電阻值，連接線(xiàn)路也不同。在選擇適宜的儀表與線(xiàn)路時(shí)，必須依據(jù)測(cè)量對(duì)象的具體要求，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，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。②為了有效消除連接導(dǎo)線(xiàn)電阻變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，必須采用三線(xiàn)制接法。1）平衡電橋測(cè)溫圖2（a）為平衡電橋測(cè)溫基本原理圖，圖中Rt為熱電阻，阻值隨溫度而變化，R2、R3為固定電阻，R1為可變電阻，由這四個(gè)電阻組成橋路的四個(gè)橋臂。G為檢流計(jì)，E為電源。當(dāng)Rt值改變時(shí)，橋路平衡被破壞，檢流計(jì)G偏轉(zhuǎn)，這時(shí)改變R1值，使電橋重新達(dá)到平衡，檢流計(jì)G指零，這時(shí)有 Rt×R2= Rt=R1由于R2和R3都是固定的已知電阻，其比值為常數(shù)，所以被測(cè)電阻Rt與R1成正比，只要沿R1敷設(shè)標(biāo)尺，便可根據(jù)觸頭位置讀出被測(cè)電阻值，換算成被測(cè)溫度。REF_Ref10357\h圖2（b）所示是平衡電橋?qū)嶋H測(cè)溫電路，R1、R2、R3是固定電阻，RH是滑線(xiàn)電阻（可變電阻），Rt是熱電阻，Rw是把熱電阻連接到電橋上去的連接導(dǎo)線(xiàn)電阻。其中R1＋r1、R2、R3和Rt＋2Rw＋（RH+r1）構(gòu)成電橋的四個(gè)臂。另外在電橋的一條對(duì)角線(xiàn)cd上（又稱(chēng)電源對(duì)角線(xiàn)）接電源E，另一對(duì)角線(xiàn)ab上（又稱(chēng)測(cè)量對(duì)角線(xiàn)）接檢流計(jì)。（a）平衡電橋測(cè)溫原理圖（b）平衡電橋兩線(xiàn)接法實(shí)際測(cè)溫原理圖圖2平衡電橋測(cè)溫電路原理圖平衡電橋測(cè)溫具有以下特點(diǎn)：①電源的種類(lèi)和穩(wěn)定性一般不影響測(cè)量結(jié)果。②用平衡電橋測(cè)溫是基于零值法，因此能得到較高的測(cè)量精度。③如把熱電阻Rt置于滑線(xiàn)電阻RH的相鄰橋臂上，就能得到線(xiàn)性的轉(zhuǎn)換規(guī)律核，。在平衡電橋中，熱電阻Rt核，。在平衡電橋中，熱電阻Rt和滑線(xiàn)電阻RH（或其他橋臂上的電阻）的放置位置并不直接決定轉(zhuǎn)換規(guī)律的線(xiàn)性性。轉(zhuǎn)換規(guī)律的線(xiàn)性性取決于電橋的設(shè)計(jì)、電阻的溫度特性以及測(cè)量電路的整體特性。④連接導(dǎo)線(xiàn)引起的環(huán)境溫度附加誤差，可采用三線(xiàn)接法（REF_Ref14272\h圖3），把此項(xiàng)誤差減到最小。應(yīng)注意，工作電流始終流過(guò)熱電阻Rt，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)型熱電阻，準(zhǔn)許通過(guò)的最大電流為7mA，超過(guò)此值電阻體會(huì)發(fā)熱，引起測(cè)量誤差。REF_Ref10357\h圖2（b）中，除熱電阻Rt和Rw銅連接導(dǎo)線(xiàn)電阻外，其余電阻都是用不隨溫度變化的錳銅線(xiàn)做成的。測(cè)量溫度時(shí)，Rt置于被測(cè)介質(zhì)中以感受被測(cè)溫度的變化，而Rw處于測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境中，它隨著環(huán)境溫度會(huì)發(fā)生變化。采用二線(xiàn)法連接熱電阻時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)電阻的變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了減小這項(xiàng)誤差，多采用三線(xiàn)連接法（REF_Ref14272\h圖3），即用三根電阻均為Rw的導(dǎo)線(xiàn)將熱電阻與測(cè)溫電橋相連。圖3三線(xiàn)法平衡電橋測(cè)溫原理圖2）不平衡電橋測(cè)溫不平衡電橋測(cè)溫見(jiàn)REF_Ref2412\h圖4，它的工作原理是當(dāng)被測(cè)溫度為下限值Tmin（相應(yīng)于Rmin）時(shí)，電橋恰好處于平衡狀態(tài)，測(cè)量對(duì)角線(xiàn)的電流Iy=0。當(dāng)T≠Tmi時(shí)（Rt≠Rmi），電橋平衡被破壞，Iy≠0且隨著T與Tmin偏差的加大，Iy的值也愈大。這樣，只要能推導(dǎo)出Rt與Iy的關(guān)系，根據(jù)Iy的大小即可判斷被測(cè)溫度值。由推導(dǎo)可知， Iy=ER由上式可見(jiàn)，Iy與Rt呈非線(xiàn)性關(guān)系，也就是說(shuō)不平衡電橋的轉(zhuǎn)換規(guī)律Iy=f（Rt）是非線(xiàn)性的，且電源電壓E的數(shù)值和穩(wěn)定性對(duì)Iy有影響。為了消除電源的影響，不平衡電橋多采用穩(wěn)壓電源或穩(wěn)流電源供電。式中Iy是檢流計(jì)G的等效電阻。圖4三線(xiàn)法不平衡電橋測(cè)溫原理圖不平衡電橋與平衡電橋相比，有以下特點(diǎn)：①雖然兩者都可能存在連接導(dǎo)線(xiàn)引起的環(huán)境溫度附加誤差，但都可用三線(xiàn)接法予以減小。②不平衡電橋能連續(xù)地自動(dòng)指示被測(cè)溫度，而無(wú)需像平衡電橋那樣另增加一套自動(dòng)平衡裝置，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。③不平衡電橋具有非線(xiàn)性的轉(zhuǎn)換規(guī)律。核，轉(zhuǎn)換規(guī)律的線(xiàn)性性取決于電橋的具體設(shè)計(jì)和所使用的傳感器，而不是不平衡電橋本身固有的特性。？核，轉(zhuǎn)換規(guī)律的線(xiàn)性性取決于電橋的具體設(shè)計(jì)和所使用的傳感器，而不是不平衡電橋本身固有的特性。？④電源電壓的穩(wěn)定性對(duì)不平衡電橋的測(cè)量結(jié)果有影響，特別是在高精度應(yīng)用中，最好使用穩(wěn)壓電源（或穩(wěn)流電源）供電。不平衡電橋在自動(dòng)檢測(cè)中應(yīng)用極廣，在配接熱電阻的動(dòng)圈儀表、數(shù)字儀表、電子電位差計(jì)的測(cè)量電路中都有應(yīng)用。此外在溫度變送器，熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電橋、電子秤、電磁流量計(jì)等很多儀表中都用到了不平衡電橋。3）有源四線(xiàn)制熱電阻測(cè)溫在熱電阻測(cè)溫電路中，采用恒流源供電可以構(gòu)成四線(xiàn)制電路，如REF_Ref21744\h圖5所示。這種接線(xiàn)方式主要用于高精度溫度測(cè)量。其中兩根引線(xiàn)為熱電阻提供恒流源I，在熱電阻上產(chǎn)生電壓降U=IRt，通過(guò)另兩根引線(xiàn)引至電位差計(jì)或高精度電壓表進(jìn)行測(cè)量。它能夠完全消除引線(xiàn)電阻對(duì)測(cè)量的影響。圖5有源四線(xiàn)制熱電阻測(cè)溫原理圖4）熱電阻變送器熱電阻可以根據(jù)測(cè)溫要求制成各種規(guī)格的溫度傳感器，一般不單獨(dú)構(gòu)成測(cè)溫儀表，它只是顯示儀表、變送儀表或計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫元件。長(zhǎng)距離傳輸熱電阻溫度傳感器的測(cè)溫信號(hào)時(shí)，容易引起多種誤差。因此可以就地將熱電阻傳感器的測(cè)溫信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如