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热电偶使用说明(2热电阻)

2、热电阻概述

2.1热电阻的工作原理
    电阻是物体最基本的物理特性之一。利用金属导体的电阻随温度的变化而变化的原理,通过测量导体的电阻值来间接获得温度值的温度计称为热电阻温度计。温度每变化1℃时的电阻值的相对变化量叫电阻温度系数,用α表示。热电阻的感温元件是用细金属丝均匀地缠绕在绝缘材料制成的骨架上而形成,所以测得的温度是感温元件整体所处位置的平均温度。根据热电阻元件的材质分为铂电阻和铜电阻等等。

2.1.1铂电阻
    铂是制作热电阻最理想的材料,其物理化学性能非常稳定,尤其抗氧化能力很强,电阻率大,工艺性好。经过精心制造的铂电阻具有很高的示值复现性(可达10-4k),优于其它所有温度计,铂电阻的电阻温度特性曲线可用下式表达:
当t在0—850℃时:    rt=ro(1+at+bt2)
当t在-200—0℃时:   rt=ro[1+at+bt2+c(t-100)t3]
rt、ro分别为t℃和0℃的电阻值,a=3.90802x10-3,b=-5.80195x10-7,c=-4.27350x10-12。

2.1.2 铜电阻
    铜也是制作热电阻较理想的材料,成本低、容易提纯、具有较高的电阻温度系数、复现性好、容易加工成绝缘的铜丝,铜电阻在-50—150℃范围内的电阻温度特性几乎是线性的,所以用来测量-50—150℃范围内的温度很有优势。铜电阻的电阻温度特性可用下式表达:
rt=ro(1+αt)
2.2       热电阻与热电偶的特性比较

特性项目

热电阻

热电偶

1

精度

所有常用温度计中,准确度最高,可达10-4k。

最高精度可达0.2℃

2

稳定性

在振动小而适宜的环境下,可在很长时间内保持0.1℃以下的稳定性。

在最高使用温度维持250h后,热电势变化量在4℃左右

3

灵敏度

灵敏度较热电偶高一个数量级,输出约0.4ω/℃,如果通过电流2ma,则电压输出为0.8mv/℃

灵敏度较热电阻低一个数量级,输出信号在0.005—0.080mv/℃

4

温度范围

-200—850℃

测温范围宽,-200—2300℃

5

响应时间

元件尺寸较大,测面温,热响应时间较长。

测点温,响应时间快,可达0.1s

6

耐振性

细金属丝测温元件,抗机械冲击与振动性能差。

测温元件偶丝较粗易焊接,耐振性好

7

适用气氛

氧化性、中性

氧化、还原、中性、真空

8

变送显示

输出线性好,温度值可由测得的电阻值直接求出,变送显示容易

输出线性较热电阻差,显示变送容易

9

安装使用

不要参考点,不需补偿导线,

要冷端温度补偿,要补偿导线,

10

外形尺寸

最小直径到3mm,其余与热电偶相同

最小直径到0.25mm



2.3  铠装热电阻的特点
    铠装热电阻是在装配热电阻的基础上借鉴铠装热电偶的制造技术发展起来的热电阻新品种,相对于装配热电阻具有直径小、能弯曲、热响应时间快,安装使用方便等特点。由于热电阻没有耐高温腐蚀的要求,用不锈钢作保护管的铠装热电阻可以完全代替原装配热电阻,适合批量生产,成本低,而且更耐震动、密封性好、使用寿命长。近年来越来越多的厂家采用铠装热电阻作为装配热电阻的芯子来改造传统的装配热电阻。随着技术的发展和人们使用观念的进步,装配热电阻最终将被铠装热电阻完全取代。
    铠装热电阻的制造,首先是将热电阻引线(一般为纯镍丝)穿入氧化镁绝缘材料中,再一同穿入不锈钢保护管中,经过多次拉拔缩径退火而形成铠装热电阻引线(相当于铠装热电偶材料);然后将热电阻感温元件与已经下料成需要长度并剥出引线头的铠装热电阻引线对接焊接;最后与制作铠装热电偶的方法类似完成测量端、接线端和安装装置的制作。由于铠装热电阻引线电阻率较大,所以没有两线制引线,一般为三线制引线,四线制需要特别注明。铠装铜电阻由于测温较低,可用有机材料绝缘代替无机氧化镁绝缘,制作工艺与铠装铂电阻可以不同。

2.4  热电阻的结构与分类
    与热电偶分类一样,热电阻按照结构分为装配热电阻铠装热电阻两类;按测温元件铂电阻、铜电阻,以及非标准化的铁电阻、镍电阻、铟电阻、锰电阻、碳电阻等;按分度号分为pt100、pt10、cu50、cu100,以及pt1000、pt800、pt500等标称电阻很大分辨率很高的铂电阻;根据用途分为标准铂电阻、耐腐蚀热电阻、耐磨热电阻、端面热电阻、电机专用热电阻等等。

    热电阻的结构仍然用“两端五部”来概括。
    从热电阻的测温原理可知,构成最基本的热电阻除了热电阻元件及引线外,仍然有测量端和参比端,也称“热端”和“冷端”,这就是所谓的“两端”。热电阻的测量端都是绝缘型。热电阻的构成仍然分五部分,热电阻元件及引线是构成热电阻的核心部分(即第一部分测温元件),其它部分都是围绕它展开;为了保证回路中电阻信号不损失,以准确传递被测温度信号,必须用绝缘材料使热电阻元件两引线之间,及其与外界之间有可靠的绝缘(即第二部分绝缘材料);为了保护绝缘材料和热电阻元件及引线,以延长热电阻的使用寿命,同样设计有第三部分保护套管;为了安装接线使用方便,适应各种使用场合,同样设计有第四部分接线装置和第五部分安装固定装置。这些就是所谓的“五部”。最基本的热电阻没有保护套管和安装固定装置(即热电阻芯)。可见,热电阻的结构除测温元件不同以外,其余与热电偶基本一致。

2.5热电阻的测温精度
    测温精度又称允许偏差或“允差”,指具体某支热电阻的电阻温度特性与该类热电阻的标准分度表的符合程度。与热电偶一样,从理论上讲没有材质、组织结构、加工状态完全相同的两支热电阻,所以任何一支热电阻都与标准分度表有偏差,任何一支热电阻的两次测试结果也不一致,都只能在一定程度上符合标准分度表。根据符合程度或偏差的大小把热电阻分为a、b级,详见下表:

精度等级

性能            类别

a级精度

b级精度

测温允差(℃)

铂电阻

±(0.15+0.2%∣t∣)

±(0.30+0.5%∣t∣)

铜电阻

±(0.30+0.6%∣t∣)

基本误差

名义电阻r0

(℃)

pt10

10±0.006

10±0.012

pt100

100±0.06

100±0.12

cu50

50±0.050

cu100

100±0.10

电阻比w100

(r100/r0)

铂电阻

1.3850±0.0010

铜电阻

1.4280±0.0020

测温范围

(℃)

铂电阻

-200~650

-200~850

铜电阻

-50~150

备注:a级精度不适用于两线制的铂电阻;a级精度不适用于650℃以上的pt100铂电阻;
      pt10主要用于工作温度延伸到600℃以上的铂电阻。



2.6热电阻的稳定性

精度等级
项目                内容

铂电阻

铜电阻

a

b

cu50

cu100

极限温度

在上下限分别经受250h,在0℃测得电阻的变化值或换算成温度变化值.(铜电阻:上限4h)

≤0.15℃

≤0.30℃

≤0.025ω

≤0.05ω

温度循环

经过0-上限-室温-下限-室温-0℃温度循环后,测得的电阻变化换算成温度变化值

热电

100℃时,改变置入深度测得的最大热电势

≤20μv

自热影响

0℃时,改变激励电流从0.03至10ma,测得电阻的增量换算成温度增量的最大值或自热影响评价值.(pt10:0.1~30ma,铜电阻:1~5ma)

≤0.30℃

0.214(p2-p1)/△r

0.429(p2-p1)/△r

≤6.25mw/℃


2.7热电阻的引线制式
    热电阻测量的温度是指测量端部分的热电阻元件所感应到的温度,温度的高低决定了元件电阻大小,但测量元件输出的电阻值包含了引线的电阻,所以引线电阻的大小和稳定以及处理方法直接决定了热电阻的测温精度。从热电阻的分度特性中已知,铂电阻的平均每度电阻变化率是0.385ω/℃,铜电阻的平均每度电阻变化率是0.428ω/℃;引线电阻不得使热电阻超出了其测温的允许偏差,两线制引线电阻不得大于0.1ω,否则就需做技术处理以扣除引线电阻。引线电阻包含热电阻产品的引线电阻(叫内引线电阻)和热电阻产品至显示仪表之间的引线电阻(叫外引线电阻)两部分。引线方法分以下三种:

    两线制:热电阻产品只给出两根引线,测量电阻包含了引线电阻,一般引线电阻不得大于0.1ω。两线制引线方法测量误差大,一般用于引线不长、测量精度要求不高的场合。两线制仅指热电阻产品的内引线采用两根引线,用户安装的外引线必须用三根引线。

    三线制:热电阻产品给出了三根引线,如果三根引线的电阻相等,就可以消除引线电阻对测量结果的影响,内引线和外引线都采用三根引线,这是工业生产中应用最广泛的接线方式。
如下图所示,只要三根引线的电阻相等(即r1=r2=r3),那么测温元件电阻r0就与引线电阻的大小无关并可表达为:
r0 = rac – rab

    四线制:热电阻产品给出了四根引线,这中方法可以完全消除引线电阻对测量结果的影响,测量精度高,一般只适用于精密测量,如标准铂电阻温度计。
如上图所示,不管四根引线的电阻r1、r2、r3、r4是否相等,测温元件电阻r0都与引线电阻的大小无关并可用下式表达:
r0 =(rad + rbc - rab – rcd)/2
根据上述公式,温度显示仪表可自动进行加减乘除运算,以准确显示被测温度。

来源:江苏恒力炉业有限公司发表于:2013.09.05
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