温度测量的精髓之热电阻测量篇

2016/7/21 11:55:46 人评论 次浏览 分类:温度测量  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/994.html

第一章 热电阻基础知识
1、何谓热电阻
热电阻(http://yunrun.com.cn/product/list_80.html)是指利用金属或金属氧化物其电阻值更具温度变化而发生改变的特性,通过测量电阻从而测量温度的一种传感器,它也被称为RTD(Resistance Temperature Detector)。使用的金属一般采用特性稳定且较易获取的铂(Pt100)。它已列入JIS-C1604标准。因此,也为各热电阻制造商间通用。现在,热电阻和热电偶一样是最为常见的一种温度传感器。

2、热电阻的特点
热电阻用来对温度做出高精度测量。
■ 可高精度测量温度
■ 可测量低温度
这是热电阻两大优点。同时,它又是一种不适合测量高温的传感器。一般来讲热电阻用来测量300℃以下的温度,而热电偶则用来测量工业炉等的高温温度。

3、热电阻的原理
热电阻元件的电阻值根据温度变化会产生一定比例的变化,让一定电流通过电阻元件,并使用测量器测量电阻元件两端的电压,然后按照欧姆定律U=I×R计算出电阻值,从而推到出温度大小。 
热电阻的原理
   
【参考】Pt100分度表


第二章 热电阻的选择
1、按照电阻元件进行选择
测温电阻体可大致分为以下四类:

测温类型

限定范围

铂热电阻

-200~660℃

铜热电阻

-50~150℃

镍热电阻

-50~300℃

镍钴热电阻

-272~27℃


下面描述各种测温电阻体的特征
【Pt100铂热电阻】
由于Pt100温度影响下的电阻值变化较大,且稳定性和精度较高,因而被广泛用于工业测量。
铂电阻大致可分为以下三类

分度号

0℃时的电阻值

电阻比率=100℃时电阻值/0℃时电阻值

Pt100

100Ω

1.3851

Pt10

10Ω

1.3851

JPt100

100Ω

1.3916


Pt100使用得最广泛。虽然IEC标准中对Pt10做出了规定,Pt10被添加到JIS标准中,但实际上几乎不被使用。
1989年以前,JPt100在JIS标准上的名称为旧Pt100。1989年对JIS标准进行了修正,当时按照IEC标准制定新Pt100(如今的Pt100),将旧Pt100改为JPt100这一符号后继续沿用(为了避免市场混乱),19971年修正JIS时将其废止。

【铜热电阻】
温度特性偏差小,价格便宜。但是,由于其电阻率(固有电阻)较小,体积上无法实现小型化。此外,由于在高温下容易氧化,它的使用上限温度为+180。

【镍热电阻】
每1的电阻值变化较大,价格低廉。
但是,镍热电阻在+300左右存在临界点,因而其使用上限温度较低。

【铂钴热电阻】
镍钴热电阻是一种将铂钴合金用于电阻元件的传感器,用来测量极低温度

2、按照热电阻精度进行选择
JIS标准中已规定将测温热电阻的精度作为“相对于测量温度计的允许误差”

精度等级

允许误差

A级

±(0.15+0.002|t|)℃   说明:|t|为测量温度的绝对值

B级

±(0.3+0.005|t|)℃   说明:|t|为测量温度的绝对值


3、按照热电阻内部导线的连线方式进行选择
热电阻内部导线的连线方式有2线制、3线制和4线制三种。
【两线制热电阻】
它是一种在电阻元件两端各连结1根导线的连结方式。价格低廉,但由于是将导线原封不动地作为电阻值进行计算,需要预先调节导线电阻值进行修正。因此这种连线方式不实用。
2线制热电阻接线
【三线制热电阻】
它是最常见的连线方式,它是一种在电阻元件气筒一端连接2根导线,在另一端连接1根导线的连接方式。其特点是,当3根导线的长度、材质、线径以及电阻相同时,可以不受导线电阻的影响。
3线制热电阻接线
【四线制热电阻】
它是一种在电阻元件两端各连接2根导线的连线方式。价格高昂,但从测量原理上来说可以完全不受导线电阻的影响。
4线制热电阻接线

补充知识 为什么3线制热电阻不受导线电阻的影响?
如图所示,3线制热电阻的电阻元件一端连接2根导线,另一端连接1根导线。将电阻元件的电阻值设定为R,将3根导线电阻设为R1、R2、R3(R1=R2=R3),规定电流的流向为ABC。(由于B和C为同电位,因不会流向R2)。
连线到3线制热电阻体的显示仪表,此时会测量AB间电压和BC间电压,然后将两者的差额计算为测量值。
由于流动的电流值为固定不变,如果流经各电阻的电压设定为:R:V
R1、R3:V1时
则(BC间电压)-(AB间电压)=(V+V1)-V1=V
所以说3线制热电阻可以不受导线电阻的影响。
3线制热电阻可以不受导线电阻的影响 

4、按照热电阻构造进行选则
装配式热电阻
将内部导线连接到电阻元件并放入保护管,按照端子后进行使用,这是装配式热电阻最基本的结构。其优点是可以选择不同按照形式和不同材质保护管,可以适用于一般环境或耐腐蚀环境测温,此外价格低廉,使用方便。但是和铠装热电阻相比较,也具有体积较大、响应速度慢的缺点。
装配式热电阻结构示意图

铠装热电阻
铠装热电阻是在金属细管(铠装)、内部导线和电阻元件之间填充高纯度MgO(氧化镁),然后进行一体化加工。铠装热电阻体型细长,铠装内不存在空气层,响应迅速是其最大优点。此外,他的好处还在于可以自由弯曲形状,缩细外径。
铠装热电阻结构示意图

补充知识 什么是“双支元件”?
测温热电阻的电阻元件部分有时也成为元件。
通常,一个测温热电阻的内部只存在1个电阻元件,我们将它成为单元件。
■ 希望提高对于内部导线断线等故障的可靠性时
■ 用于希望在多个设备(比如记和温控仪录仪等)上显示相同测量值并进行记录时。

第三章 热电阻使用注意事项
1、注意内部导线导致的误差
测温热电阻精确测量内部电阻元件的电阻值,从而计算出温度。因此,需尽可能避免导线电阻带来的影响。无论3线制或4线制接线方式,必须确保导线的材质、外径、长度以及电阻值相同,并且不存在温度梯度。

补充知识 热电阻可以延长吗?
可以。使用测温热电阻专用连接导线。
需要使用长导线时,为了避免产生误差,请确认导线每1米的电阻值。
请在记录仪的输入信号源电阻的范围内进行选择。

2、注意热电阻插入深度导致的误差
如果测温热电阻的测温部分未设定成语测温对象同等的温度,则无法取得正确温度。
无论是装配式热电阻还是铠装热电阻,插入深度请控制在约为外径的15到20倍的程度。

3、注意自我加热导致的误差
使用测温热电阻时,会在测温热电阻上流通规定电流以获取温度,此时产生的焦耳热会导致测温热电阻自身加热。我们称其为“自我加热”。自我加热与规定电流值的2乘方成比例(同时也依赖于热电阻的构造和环境),比例较大则会导致精度上的误差。JIS标准中将0.5mA、1mA、2mA列为规定电流,一般来说热电阻会符合任一规定电流以保证精度,因此只要是规格中记载的规定电流就无需担心自我加热。

4、注意热电阻的规定电流
热电阻的规定电流由规格决定。
请勿流通规格中所记载的规定电流值之外的电流值。
如果流通不同的电流值,有可能产生系列问题:
①发热量变化导致测量误差。
②规定电流值变化导致测量电压值随之变化,显示错误温度。

5、1支热电阻不能同两台仪表并联
将1根热电阻并联到多台显示仪表时,请使用双元件类型。
使用单元件类型时,请务必在每台仪表上准备1根热电阻。

并联时的问题是什么?
显示仪表在热电阻上流通规定电流,测量电阻两端产生的电压。
并联连线时,从2台显示仪表上提供规定电流,因而无法获得正确的电压值。所以1支热电阻不同并联到两台仪表

1支热电阻不能同时连接2台显示仪表

6、注意连接至显示仪表的导线连接位置
请对显示仪表进行正确连线。如果连线错误,则显示错误温度。
下图显示了将三线制热电偶连接至显示仪表的连线方法。

参考 2线制热电阻连接到测量显示仪表(显示仪表为3线制输入接法)的连线方法
2线制热电阻与显示仪表接线

参考 3线制热电阻连接到测量显示仪表(显示仪表为3线制输入接法)的连线方法
3线制热电阻与显示仪表接线

参考
4线制热电阻连接到测量显示仪表(显示仪表为3线制输入接法)的连线方法
4线制热电阻与显示仪表接线

《温度测量的精髓之热电阻测量篇》由昌晖仪表编写,文章内容发布前经云南昌晖仪表制造有限公司研究和评审,内容有变更,恕不另行通知。

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