热电阻温度计

1、测温原理

随着温度的升高,导体或半导体的电阻会发生变化,温度和电阻间具有单一的函数关系,利用这一函数关系来测量温度的方法,即为热电阻测温法,用于测温的导体或半导体被称为热电阻。测温用的热电阻主要有金属电阻和半导体两大类。

2、金属热电阻

大量实验表明,对于金属导体,在一定的温度范围内,其电阻和温度有以下的关系:

RT =R0[1 + α(T – T0)]

式中,RT为温度T下的金属电阻值;R0为温度T0下的电阻值;α为电阻温度系数,℃-1,大多数金属的电阻温度系数不是常数,但在一定的温度范围内可取其平均值作为常数值。

热电阻的温度系数越大,表明热电阻的灵敏度越高;一般情况下,材料的纯度越高,热电阻的温度系数也越高。通常纯金属的温度系数比合金要高,所以多采用纯金属来制造热电阻。热电阻的温度系数还与制造工艺有关。在使用热电阻材料拉制金属丝的过程中,会产生内应力,并由此引起电阻温度系数的变化。因此,在制作热电阻时必须进行退火处理,以消除内应力的影响。作为测量温度的金属热电阻材料必须满足以下几个要求:

①电阻温度系数应大,这样的热电阻的灵敏度才能高。

②要求有较大的电阻率,因为电阻率越大,同样阻值的热电阻体积就越小,从而可减小其热容量和热惯性,提高对温度变化的反应速度。

③在测温范围内,应具有稳定的物理和化学性质,确保测量结果的稳定性。

④电阻与温度的关系最好近似线性,或者为平滑的曲线,以简化测量数据处理与显示的难度。

⑤复现性好,复制性强,互换性好,容易得到纯净的金属,易于加工,价格低廉,工艺性好。

热电阻(铠装热电阻)的外形结构与热电偶(铠装热电偶)外形结构基本相同,特别是保护管和连接盒是难以区分的,可是内部结构不同,使用时应特别注意。热电阻的结构如图1所示。

1—出线密封圈,2—出线螺母,3—小链,4—盖子,5—接线柱,6—密封圈,7—接线盒,8—接线座,9—保护管,10—绝缘管,11—引出线,12—感温元件
图1 铠装热电阻结构

热电阻引线有两线制、三线制和四线制3种,如图2所示。

(a)两线制,(b)三线制,(c)四线制
图2 热电阻的引线类型

三类不同引线热电阻的特点如下:

①两线制:在热电阻感温元件的两端各联一根导线的引线形式为两线制。这种两线制热电阻配线简单、费用低,但要考虑引线电阻的附加误差。

②三线制:在热电阻感温元件的一端联接两根引线,另一端联接一根引线,此种引线形式称为三线制。它可以消除引线电阻的影响,测量精确度高于两线制,所以应用最广。特别是在测温范围窄、导线长、架设铜导线途中温度发生变化等情况下,必须采用三线制热电阻。

③四线制:在热电阻感温元件的两端各联两根引线称为四线制。在高精确度测量时,要采用四线制。这种引线可以消除引线电阻的影响,而且在联接导线阻值相同时,还可消除联接导线电阻的影响。

图3 金属热电阻温度传感器

1)铂电阻

铂电阻的特点是准确性高、稳定性好、性能可靠。在高温氧化性环境中,其物理、化学性能仍然非常稳定,因此,在一定温度范围内常被定位基准温度计。但是,铂电阻容易被还原性气体污染,造成测量不准确,在这种情况下,必须使用保护套管,将铂电阻隔离。

目前,国内生产的标准铂电阻有100Ω、50Ω和300Ω三种,其分度号分别为Pt100、Pt50和Pt300,较为常用的为Pt100。

2)铜电阻

铜电阻价格低廉,一般用于测量准确度要求不高且温度较低的场合使用。其使用温度范围一般为-50℃~150℃。我国常用的铜电阻分度号为Cu100和Cu50,二者对应的电阻值分别为100Ω和50Ω。

3)镍电阻

镍电阻的使用温度范围为-50~300℃,但一般多用于150℃以下的温度测量。镍电阻常用于温度变化范围小,灵敏度要求较高的场合。

3、半导体热敏电阻

半导体热敏电阻就是利用其电阻值随温度升高而减小的特性来制作感温元件的。热敏电阻成为工业用温度计以来,大量用于家电及汽车用温度传感器。目前已扩展到各种领域,发展极为迅速,在接触式温度计中,它仅次于热电偶、热电阻,占第三位,销售量极大。它的测温范围一般为-40~350℃,在许多场合已经取代传统的温度传感器,热敏电阻的灵敏度高。它的电阻温度系数较金属热电阻大10~100倍,因此,可采用精度较低的显示仪表。

半导体热敏电阻的电阻值高。它的电阻值较钳热电阻高1~4 个数量级,并且与温度的关系不是线性的,可用下列经验公式来表示:

RT=A·eB/T

式中,T为温度,K;RT为温度T时的电阻值,Ω;e为自然对数的底,2.7182…;A为决定于热敏电阻材料的常数,Ω;B决定于热敏电阻结构的常数,K。

热敏电阻虽然复现性、互换性不好,但因成本低、体积小、响应快,故越来越多地为人们所采用。

图 4 半导体热敏电阻温度传感器


参考资料:
[1] 万金庆. 建筑环境测试技术[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2009.8.
[2] 方修睦. 建筑环境测试技术(第二版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

 
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