热电阻接入电路 两线制 三线制 接线法
1． 分析两线制由于引线电阻的误差
图1-12中，r为引线的电阻，Rt为Pt电阻，其中由欧姆定律可得：
当Rr=Rt时（电桥平衡），V0=-I22r 。
从V0的表达式可以看出，引线电阻的影响十分明显，两线制接线法的误差很大。
2． 分析三线制如何消除引线电阻的误差
三线制接线法由图1-13所示，由欧姆定律可得：
当Rr=Rt时，电桥平衡，I1=I2，V0=0。
可见三线制接线法可很好的消除引线电阻，提高热电阻的精度。
| 工业用热电阻温度计的使用注意事项 |
| 热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的，在工业生产中广泛用来测量(-100～500)℃范围的温度，其主要特点是测温准确度高，便于自动测量。由于热电偶在低温范围中产生的热电势小，因而对测量仪表要求严格，而采用热电阻温度计测量低温是很适宜的。 热电阻温度计按结构形式可分为普通工业型、铠装型及特殊型等。 常用的普通工业型热电阻主要有: 1.铂热电阻:广泛用来测量(-200～850)℃范围内的温度。在少数情况下，低温可测至1K，高温可测至1000℃。其物理、化学性能稳定，复现性好，但价格昂贵。铂热电阻与温度是近似线性关系。其分度号主要有Pt10和Pt100。 2.铜热电阻:广泛用来测量(-50～150)℃范围内的温度。其优点是高纯铜丝容易获得，价格便宜，互换性好，但易于氧化。铜热电阻与温度呈线性关系。其分度号主要有Cu50和Cu100。 铠装热电阻是在铠装热电偶的基础上发展来的，由热电阻、绝缘材料和金属套管三者组合加工而成，其特点是外形尺寸可以做得很小(最小直径可达20毫米)，因而反应速度快，有良好的机械性能，耐振耐冲击，具有良好的挠性，且不易受有害介质的侵蚀。 使用热电阻前必须检查它的好环，简易的检查方法是将热电阻从保护管中抽出，用万用表测量其电阻。若万用表读数为“0"或者万用表读数小于R0值，则该热电阻已短路，必须找出短路处进行修复；若万用表读数为“∞"，则该热电阻已断路，不能使用；若万用表读数比R0的阻值偏高一些，说明该热电阻是正常的。 热电阻的阻值不正确时，应从下部端点交叉处增减电阻丝，而不应从其它处调整。完全调好后应将电阻丝排列整齐，不能碰接，仍按原样包扎好。 经修复的热电阻，必须经过检定合格后方可使用。 热电阻安装时，其插入深度不小于热电阻保护管外径的8倍～10倍，尽可能使热电阻受热部分增长。热电阻尽可能垂直安装，以防在高温下弯曲变形。热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差，应尽量使保护套管表面和被测介质温度接近，减小热电阻保护套管的黑色系数。 当用与热电阻相配的二次仪表测量温度时，热电阻安置在被测温度的现场，而二次仪表则放置在操作室内。如果用不平衡电桥来测量，那么连接热电阻的导线都分布在桥路的一个臂上。由于热电阻与仪表之间一般都有一段较长的距离，因此两根连接导线的电阻随温度的变化，将同热电阻阻值的变化一起加在不平衡电桥的一个臂上，使测量产生较大的误差。为减小这一误差，一般在测温热电阻与仪表连接时，采用三线制接法(图1)，即从热电阻引出三根导线，将连接热电阻的两根导线正好分别处于相邻的两个桥臂内(图2)。当环境温度变化而使导线电阻值改变时，其产生的作用正好互相抵消，使桥路输出的不平衡电压不会因之而改变。另一导线电阻R1的变动，仅对供桥电压有极微小的影响，但在准确度范围内。其示意图如下所示:
图1 热电阻的三线制
图2 热电阻的三线制接法 |
本节概述
热阻式测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。
用于制造热电阻的材料，电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。另外，材料的物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。
热电阻测温的优点是信号灵敏度高，易于连续测量，可以远传（与热电偶相比），无需参比温度；金属热电阻稳定性高，互换性好，精度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励，有自热现象（会影响测量精度），测量温度不能太高。
常用热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。
一、铂电阻测温
1．概述
铂电阻的电阻率较大，电阻一温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。国际ITS-90规定，在-259．35～961．78℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。
铂的纯度用百度电阻比W100表示。它是铂电阻在100℃时电阻值R100与0℃时电阻值R0之比，即W100＝ R100／R0。W100越大，其纯度越高。目前技术已达到W100＝1．3930，其相应的铂纯度为99．9995％。国际ITS-90规定，作为标准仪器的铂电阻的W100应大于l．3925。一般工业用铂电阻的W100应大于1．3850。
目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用；而Pt10是用较粗的铂丝制作的，主要用于600℃以上的测温。铂电阻测温范围通常最大为-200～850℃。在550℃以上高温（真空和还原气氛将导致电阻值迅速漂移） 只适合在氧化气氛中使用。铂电阻与温度的关系为
当-200℃ 当0℃≤t≤＝850℃时 式中，Ｒ0为温度为零时铂热电阻的电阻值（Ptl00为100Ω，Pt10为10Ω）； R（t）为温度为t时铂热电阻的电阻值； A、B、C为系数，A＝3．908 02×10-3℃-1；B＝5．8019×10-7℃-2；C＝4．27350×10-12℃-4。 据公式（6-6）制成的工业铂热电阻分度表见附录1的附表1-1和附表1-2。 2．热电阻的结构 工业热电阻的基本结构如图6-3所示。 图6-3 工业热电阻的基本结构 1-电阻丝；2-保护管；3-安装固定件；4-接线盒 热电阻主要由感温元件、内引线、保护管三部分组成。通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。它的外形与热电偶相似，使用时要注意避免用错。 热电阻感温元件是用来感受温度变化的电阻器，它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝的材料应具备如下条件： ①电阻温度系数大，线性好，性能稳定； ②使用温度范围广，加工方便； ③固有电阻大，互换性好，复制性强。 能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂丝。我国纯铂丝品种及应用范围如表6～4所示。 表6-4 纯铂丝品种及应用 绝缘骨架是用来缠绕、支承或固定热电阻丝的支架。它的质量将直接影响电阻的性能。因此，作为骨架材料应满足如下要求： ①在使用温度范围内，电绝缘性能好； ②热膨胀系数要与热电阻相近； ③物理及化学性能稳定，不产生有害物质污染热电阻丝； ④足够的机械强度及良好的加工性能； ⑤比热容小，热导率大。 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种热电阻感温元件。采用云母骨架的感温元件特点是：抗机械振动性能强，响应快。很久以来多用云母做骨架。但是，由于云母是天然物质，其质量不稳定，即使是优质云母，在600℃以上也要放出结晶水并产生变形。所以，采用云母骨架的感温元件使用温度宜在500℃以下。 因其电阻丝并非完全固定，故受热后引起电阻变化小，电阻性能比较稳定，但体积较大，不适宜在狭小场所进行测量，并且响应时间较长。 采用玻璃骨架的感温元件特点是：体积小，响应快，抗振性强。因铂丝已固定在玻璃骨架上，故在使用中不产生变形，因此，必须选取与电阻丝具有相同膨胀系数的玻璃作骨架，否则，当温度变化时引起膨胀或收缩，就会改变热电阻的性能。其结构如图6—3所示。感温元件较通用的尺寸是外径为1～4mm，长度为10～40mm。这种玻璃骨架的软化点约为450℃，最高安全使用温度为400℃，而且，低温到4K仍然可用。 采用陶瓷骨架的感温元件特点是：体积小，响应快，绝缘性能好。使用温度上限可达960℃。陶瓷骨架的缺点是机械强度差，不易加工。 3．热电阻的引线形式 内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。内引线通常位于保护管内。因保护管内温度梯度大，作为内引线要选用纯度高且不产生热电动势的材料。对于工业铂热电阻而言，中低温用银丝作引线，高温用镍丝。这样，既可降低成本，又能提高感温元件的引线强度。对于铜和镍热电阻的内引线，一般都用铜、镍丝。为了减少引线电阻的影响，内引线直径通常比热电阻丝的直径大很多。 热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图6-4所示。 ①两线制 如图6-4（a）所示，在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制热电阻。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。因此，不适用于高精度测温场合使用。并且在使用时引线及导线都不宜过长。采用两线制的测温电桥如图6-5所示，（a）为接线示意图，（b）为等效原理图。从图中可以看出热电阻两引线电阻RW和热电阻RW一起构成电桥测量臂，这样引线电阻RW因沿线环境温度改变引起的阻值变化量2△RW和因被测温度变化引起热电阻Rt的增量值△Rt一起成为有效信号被转换成测量信号，从而影响温度测量精度。 图6-4 感温无件的引线形式 -接线端子；Ｒ-感温元件；Ａ、Ｂ-接线端子的标号 （a）示意图 （b）等效原理图 图6-5 两线制热电阻测量电桥 ②三线制 如图6-4（b）所示，在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制热电阻。用它构成如图6-6所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。而且，在测温范围窄或导线长，导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制热电阻。 ③四线制 如图6-4（c）所示，在热电阻感温元件的两端各连两根引线，此种引线形式称为四线制热电阻。在高精度测量时，要采用如图6-7所示四线制测温电桥。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，可消除该电阻的影响，还可以通过CPU定时控制继电器的一对触点C和D的通断，改变测量热电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。 （a）示意图 （b）等效原理图 图6-6 三线制热电阻测量电桥 （a）示意图 （b）等效原理图 图6-7 四线制热电阻测量电桥 另外，为保护感温元件、内引线免受环境的有害影响，热电阻外面往往装有可拆卸式或不可拆卸式的保护管。保护管的材质有金属、非金属等多种材料，可根据具体使用特点选用合适的保护管。 二、铜电阻和热敏电阻测温 １．铜电阻 铜电阻的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1／2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250℃以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cu100）一般工作温度范围为－40～120℃。其电阻值与温度的关系为 当－50℃≤t≤150℃时，R（t）＝R0（1+At+Bt2+Ct3） （6-7） 式中，R0为温度为零时铜热电阻的电阻值（Cu100为100 Q，Cu50为50 Q）；R（t） 为温度为t时铜热电阻的电阻值；A，B，C为系数。A＝4.2×10-3℃-1；B＝－2.133×10-7℃-2；C＝1.233×10-9℃-3。 根据公式（6-6）制成的工业用铜热电阻分度表见附表1-3和附表1-4。 ２．半导体热敏电阻 目前世界各国，特别是工业化国家，在低温段-50～350℃且测温要求不高的场合，采用半导体热敏元件作温度传感器。大量用于各种温度测量、温度补偿及要求不高的温度控制。 （1）热敏电阻的优点 热敏电阻和热电阻、热电偶及其他接触式感温元件相比具有下列优点： ①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数量级；由于灵敏度高，可大大降低后面调理电路的要求； ②标称电阻有几欧到十几兆欧之间的不同型号和规格，因而不仅能很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响； ③体积小（最小珠状热敏电阻直径仅0.1～0.2 mm），可用来测量“点温”； ④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合； ⑤结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动，采用玻璃、陶瓷等材料密封包装后，可应用于有腐蚀性气氛的恶劣环境； ⑥资源丰富，制作简单，可方便地制成各种形状（如图6-8所示），易于大批量生产，成本和价格十分低廉。 图6-8 热敏电阻的结构形式 （2）热敏电阻的主要缺点： ①阻值与温度的关系为非线性； ②元件的一致性差，互换性差； ③元件易老化，稳定性较差； ④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0.150℃范围的温度测量，使用时必须注意。 目前热电阻的引线主要有三种方式 ○1二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 ○2三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。 ○3四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。 热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。下载本文
