热电阻测量温度

时间：2022-10-04 百科知识版权反馈

【摘要】：按照ITS-1990标准，国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时的阻值有25Ω、100Ω等，分度号分别用Pt25、Pt100等表示。热电阻分度号必须与显示仪表调校时分度号相向。用热电偶测量500℃以下温度时，热电动势小，测量精度低;且使用中经常需要进行冷端温度补偿。金属热电阻目前大量使用的材质有铂、铜和镍三种。用电阻传感器进行测温时，热电阻应与检测仪表箱相隔一段距离，因为热电阻的引线对测量结果有较大的影响。

任务描述

电阻式温度传感器就是将温度变化转化为温度敏感元件的电阻变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出。工业上在测低温时通常采用热电阻温度计，其测温范围为-200～850℃。

任务目标

●能掌握热电阻测温的工作原理、连接方式

●能掌握热电阻测温三线式接法

●能通过查阅资料了解热电阻测温计的种类、代号、测温范围

●了解普通工业热电阻的结构、应用场合

任务分析

热电阻按性质不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻两类。前者仍称为热电阻，而后者的灵敏度比前者高十几倍，又称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K(即-272℃)，高温达1000℃。

任务实施

一、任务准备

1.金属热电阻传感器

金属热电阻按其结构类型来分，有普通型、铠装型、薄膜型等。普通型热电阻由感温元件(金属电阻丝)、支架、引出线、保护套管及接线盒等组成。为避免电感分量，热电阻丝常采用双线并绕，制成无感电阻。

(1)感温元件(金属电阻丝)

由于铂的电阻率较大，而且相对机械强度较大，通常铂丝的直径在(0.03～0.07) mm ±0.005mm之间。可单层绕制，若铂丝太细，电阻体可做得小，但强度低;若铂丝粗，虽强度大，但电阻体积大了，热惰性也大，成本高。由于铜的机械强度较低，电阻丝的直径需较大，一般为(0.1±0.005)mm的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。由于铜电阻的温度低，故可以重叠多层绕制，一般多用双绕法，即两根丝平行绕制，在末端把两个头焊接起来，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根热电阻丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称为无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。

(2)骨架

热电阻是绕制在骨架上的，骨架是用来支承和固定电阻丝的。骨架应使用电绝缘性能好、高温下机械强度高、体膨胀系数小、物理化学性能稳定、对热电阻丝无污染的材料制作，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。

(3)引线

引线的直径应当比热电阻丝大几倍，尽量减小引线的电阻，增加引线的机械强度和连接的可靠性。对于工业用的铂热电阻，一般采用1mm的银丝作为引线;对于标准的铂热电阻，则可采用0.3mm的铂丝作为引线;对于铜热电阻，则常用0.5mm的铜线。在骨架上绕制好热电阻丝并焊好引线之后，在其外面加上云母片进行保护，再装入外保护套管，并和接线盒或外部导线相连，即得到热电阻传感器(图6-12)。

图6-12 金属热电阻传感器的结构

目前还研制生产了薄膜型热电阻，如图6-13所示。它是利用真空镀膜法或浆糊印刷烧结法使金属薄膜附着在耐高温基底上，其尺寸可以小到几平方毫米，可将其粘贴在被测高温物体上，测量局部温度，具有热容量小、反应快的特点。目前我国全面施行“1990国际温标”。按照ITS-1990标准，国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时的阻值有25Ω、100Ω等，分度号分别用Pt25、Pt100等表示。薄膜型铂热电阻有100Ω、1000Ω等数种。同样，铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω、100Ω两种。

图6-13 薄膜型热电阻

2.热敏电阻传感器

热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。半导体中参加导电的是载流子，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子数目少得多，它的电阻率大。随温度的升高，半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子-空穴对，因而参加导电的载流子数目增加了，半导体的电阻率也就降低了(电导率增加)。因为载流子数目随温度上升按指数规律增加，所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温度敏感元件。温度变化1℃时，某些半导体热敏电阻的阻值变化将达到3%～6%。在一定条件下，根据测量热敏电阻值的变化得知温度的变化。

热敏电阻可根据使用要求封装加工成各种形状的探头，如圆片型、柱型、珠型、铠装型、薄膜型、厚膜型等，如图6-14所示。

图6-14 热敏电阻探头

二、任务实施

1.了解电路组成

由铂电阻传感器Pt100构成的数字显示测温电路如图6-15所示，该电路是一种六端电桥输入的热电阻测温电路。桥路由TL431(IC2)精密基准电源供电。根据选用的铂热电阻分度号而计算确定桥路各元件的数值，保障在0℃时上、下桥臂分别流过0.5m A的电流，避免铂电阻过热而影响温度。图示电路是根据分度号Pt100工作在0℃时R对应的阻值为100Ω而工作的，调节RP0可微调电桥臂上的电流，从而改变R0上的压降，保证0℃时IC1A/D转换器差值输入为0。

图6-15 Pt100数字显示测温电路

2.工作原理

图示电路对桥路检测部分采取了非线性自动补偿，选择合适的RA和RB，使测量温度升高，有Pt100造成的下臂电流减小，引起RB上的压降减小，UREF-(IC1的30脚)电压升高而UREF+(IC1的31脚)电压不变，A/D转换器的UREF减小而使转换灵敏度升高。由于31/2位A/D转换器具有按比例工作的特性，当UREF减小的数值恰好按比例补偿由Pt100非线性误差造成读数减小的数值时，显示数据就可实现线性跟踪实际温度的功能，由此就可使非线性误差得到精确的补偿。

三、任务检测

为减小环境温度对线路电阻的影响，工业上常采用三线制连接，也可以采用四线制连接。热电阻引入显示仪表的线路电阻必须符合规定值，否则将产生系统误差。热电阻工作电流应小于规定值，否则因过大电流造成自热效应，产生附加误差。热电阻分度号必须与显示仪表调校时分度号相向。

任务评价

1.是否掌握热电阻测温的工作原理、连接方式。

2.是否掌握热电阻测温三线式接法。

3.是否了解热电阻测温计的种类、代号和测温范围。

4.是否了解普通工业热电阻的结构、应用场合。

相关知识

一、热电阻测温原理及特点

用热电偶测量500℃以下温度时，热电动势小，测量精度低;且使用中经常需要进行冷端温度补偿。故工业上在测低温时通常采用热电阻温度计，其测温范围为-200～850℃。

1.热电阻测温原理

(1)热电阻温度计的组成

热电阻测温计由热电阻(电阻体、绝缘管和保护套管)、连接导线、显示仪表组成。

(2)热电阻温度计的测温原理

对于金属导体或半导体，有

R=f(t)

式中，R为导体或半导体的电阻值，t为其温度。

电阻温度系数(α)即温度变化1℃时导体电阻值的相对变化量，单位为℃-1。用公式表示为

α↑→灵敏度↑。

对于金属导体:t↑→Rt↑，故α为正值;

对于半导体:t↑→Rt↓，故α为负值。

金属纯度↑→α↑，有些合金材料如锰铜α→0。

2.常用热电阻的种类

根据感温元件的材质，可分为金属导体和半导体两大类。金属热电阻目前大量使用的材质有铂、铜和镍三种。按准确度等级，可分为标准电阻温度计和工业电阻温度计。

热电阻材料要求:物理及化学性质稳定;电阻温度系数大;电阻率大;电阻值与温度近似为线性关系;复现性好;价格便宜。

(1)铂热电阻(Pt)

特点:稳定性好、精确度高、性能可靠。

ITS-1990规定以铂电阻温度计作为13.8033K～961.78K(即-259.3467～961.78℃)，温域的标准内插仪器。

在-200～0℃范围内铂的电阻值与温度的关系为

Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］

在0～850℃范围内铂的电阻值与温度的关系为

Rt=R0(1+At+Bt2)

铂电阻的纯度通常用R100/R0表示。

铂电阻的分度号:Pt10、Pt100、Pt50。

Pt10表示铂电阻在0℃时的电阻值R0=10Ω。

(2)铜热电阻(Cu)

在-50～+150℃范围内，铜电阻与温度的关系为

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)

其中，在0～100℃范围内电阻温度关系是线性的，即

Rt=R0(1+αt)

式中，α=(4.25～4.28) ×10-3/℃。

优点:R-t关系近似线性;α较大;材料易提纯;价格便宜，互换性好。

缺点:电阻率较小，为保持一定阻值需要细而长的铜丝，使体积↑、热惯性↑;测温上限低，因为铜在100℃以上易氧化且抗腐蚀性差。

铜电阻的分度号:Cu50和Cu100。

(3)镍热电阻(Ni)

特点:电阻温度系数大，灵敏度高。

测温范围是-60～+180℃，主要用于较低温域。

镍电阻的分度号:Ni100、Ni300和Ni500。

热电阻的主要技术性能见表6-2，常用热电阻材料的电阻值随温度变化的曲线如图6-16所示。

表6-2 热电阻的主要技术性能

图6-16 常用热电阻材料的电阻随温度变化的曲线图

3.热电阻的接线方法

用电阻传感器进行测温时，热电阻应与检测仪表箱相隔一段距离，因为热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线的方式有二线制、三线制和四线制三种，如图6-17所示。

图6-17 热电阻的内部引线方式

(1)二线制

存在引出线电阻随温度变化产生的附加误差。

(2)三线制

可以消除引出线电阻的影响;工业上多采用。

(3)四线制

不仅可消除引出线电阻的影响，还可消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响。多用于标准铂热电阻的引出线上。

图6-18所示的是工业上常采用的热电阻三线制桥式接线测量电路。图中，RT为热电阻，r1、r2、r3为接线电阻，R1、R2为桥臂电阻，通常取其值R1=R2;RW为调零电阻;M为指示仪表，具有很大的内阻，所以流过r3的电流近似为零。当UA=UB时，电桥平衡，使r1=r2，则RW=RT，从而消除了接线电阻的影响。

值得注意的是，流过金属电阻丝的电流不能过大，否则自身会产生较多的热量，对测量结果造成影响。

图6-18 热电阻三线制桥式接线测量电路

二、半导体热敏电阻原理及特点

1.工作原理

热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。半导体中参加导电的是载流子，由于半导体中载流子的数目远比金属中自由电子数目少得多，其电阻率较大。随温度的升高，半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子-空穴对，因而参加导电的载流子数目增加了，半导体的电阻率也就降低了(电导率增加)。因为载流子数目随温度上升按指数规律增加，所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温度敏感元件。温度变化1℃时，某些半导体热敏电阻的阻值变化将达到3%～6%。在一定条件下，通过测量热敏电阻值的变化可以得知温度的变化。

2.热敏热电阻温度特性

热敏电阻按照其温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)和正温度系数热敏电阻(PTC)两类。所谓正温度系数，是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同;所谓负温度系数，是指温度上升时电阻值反而下降的变化特性。

(1)NTC热敏电阻

NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。最常见的NTC热敏电阻是由金属如锰、钴、铁、镍、铜等的氧化物混合烧结而成，其标称阻值(25℃)根据氧化物的比例不同，可以在0.1Ω至几兆欧范围内。根据不同的用途，NTC又可分为两大类:第一类用于测量温度。它的阻值与温度之间呈严格的负指数关系，如图6-19中的曲线2所示。指数型NTC的灵敏度由制造工艺、氧化物含量决定，用户可根据需要选择，其精度和一致性可达0.1%。因此，NTC的离散性较小，测量精度较高。例如，25℃时标称阻值为10.0Ω的NTC，在-30℃时阻值高达130kΩ，而在100℃时只有850Ω，相差两个数量级，灵敏度很高，多用于空调、电热水器等，在0～100℃范围内做测温元件。第二类为突变型，又称临界温度型(CTR)。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流。例如，显像管的灯丝回路中串联一只突变型NTC，可减小上电时的冲击电流。负突变型热敏电阻的温度-电阻特性如图6-19中的曲线1所示。

图6-19 热敏电阻的温度-电阻特性曲线

1-突变型NTC 2-负指数型NTC 3-线性型PTC 4-突变型PTC 5-铂热电阻

(2)PTC热敏电阻

典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡中掺入其他金属离子，以改变其温度系数和临界点温度。它的温度-电阻特性呈非线性，如图6-19的曲线4所示。它在电子线路中多起限流、保护作用。流过PTC的电流超过一定限度或PTC个感受到的温度超过一定限度时，其电阻值突然增大。例如，电视机显像管的消磁线圈上就串联了一只PTC热敏电阻。大功率的PTC型陶瓷热电阻还可以用于电热暖风机。PTC的体温达到设定值(例如210℃)时，PTC的阻值急剧上升，流过PTC的电流减小，使暖风机的温度基本恒定于设定值上，提高了安全性。近年来还研制出掺有大量杂质的Si单晶PTC。它的电阻变化接近线性，如图2-7中的曲线3所示，其最高工作温度上限约为140℃。

单元小结

本单元主要介绍用热电偶及热电阻测量温度的方法。热电式传感器是一种能够将温度变换转换为电信号的传感器，它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性进行测量的，如金属或半导体材料的电阻值随温度的升高而变化，常用的有铂热电阻、铜热电阻以及半导体热敏电阻等。而热电偶则是利用热电效应原理进行工作的。热电偶传感器的工作原理、基本定义、测量电路是本章学习的重点，同时也要结合案例分析学会热电式传感器的实际应用。

本单元知识点梳理

综合测试

一、填空题

1.工程(工业)中，热电偶冷却处理方法有______ 。

2.温度传感器从使用上大致可分为 ______和 ______两大类。

3.热敏电阻主要有 ______和 ______两种类型。

4.电阻内部引线的方式有 ______、______ 和 ______三种。

二、选择题

1.热电偶中热电动势由( )组成。

A.感应电动势 B.温差电动势 C.接触电动势 D.切割电动势

2.实用热电偶的热电极材料中，用得较多的是( )。

A.纯金属 B.非金属 C.半导体 D.合金