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热电阻选型时需要注意哪些基本要素

2019-3-6 11:42:34      点击:

我们都知道,电阻值与材料、长度、横截面积有关。当然温度也是一个不可或缺的因素。温度对于电阻的影响:


碳硅棒的温度曲线


CsxFe2Se2单晶在不同压力下的电阻随温度变化曲线


铂电阻(PT100)的温度曲线

利用温度变化带来电阻变化进行温度测量的温度计被称为热电阻。这类温度计结构简单,使用方便,性能稳定,测量的准确度和灵敏度高,而且便于信号的远传、自动记录和集中控制。通常适用于-200~500℃之间的温度测量,有些情况下,可以测量更高或更低的温度。


常见热电阻结构

热电阻,不是热电偶

热电阻与热电偶名称相近,都用于温度测量,但这两种温度仪表有着本质的不同:

1.随温度变化,热电阻改变自身的电阻值,而热电偶是产生感应电压的变化;

2.热电阻是单一金属/半导体材料,而热电偶是双金属/半导体材料;

3.测量温度范围不同:相比较而言,热电阻适合低温测量,而热电偶适合高温测量;

4.接线方式不同:热电偶有正负极,而热电阻没有。

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不同的热电阻材料

热电阻对制作材料有如下要求:

1.电阻温度系数要大。电阻的温度系数定义为温度每升高1开尔文时的电阻相对变化量,电阻温度系数越大,温度计的灵敏度越高,测量结果越准确。

2.较大的电阻率。电阻率越大,热电阻的体积就越小,热容量和热惯性也越小,对温度变化的响应就越快。

3.在测温范围内,化学及物理性能稳定。

4.电阻值与温度的关系近似线性。

5.复现性好。

目前的热电阻根据材料,可分为金属热电阻和半导体热电阻(即热敏电阻)。其中金属热电阻主要为铂和铜。工业中热电阻常见的型号有Pt100、Pt10、Cu50、Cu100等。其中,由于Pt100优秀的性能,这种热电阻已经成为工业中最常见的热电阻。

热电阻型号通常是材料+0℃时的电阻值,比如Pt100是铂电阻,在0℃时阻值为100欧姆的热电阻。

精度等级


铜热电阻的允许误差为±(0.30+0.006|t|);

铂热电阻根据精度不同,允许误差也不相同。

根据国标GB/T 30121-2013《工业铂电阻及铂电阻感温元件》,铂电阻的允差登记被分为:

1. C级,±(0.60+0.01|t|);

2. B级,±(0.30+0.005|t|);

3. A级,±(0.15+0.002|t|);

4. AA级,±(0.1+0.0017|t|);

另有铂电阻生产企业声称可以生产3A甚至5A级铂电阻,这些基本是以B级铂电阻的精度为基准设定的。

注:|t|为温度绝对值。

绝缘骨架材料


不同绝缘骨架材料应对的使用温度,以及特点不尽相同:

1.云母:适用温度范围-200~700℃,这种骨架抗震动性能强,响应速度快,但温度过高将产生水解;

2.玻璃:适用温度范围-200~600℃,这种材料体积小,响应快,抗振性好,绝缘性能好,热膨胀系数与铂电阻丝材料相近;

3.陶瓷:适用温度范围-200~850℃,这种材料体积小,响应快,抗振性好,绝缘性能好,热膨胀系数与铂电阻丝材料相近,化学稳定性好,高温下不与铂起化学反应;

4.塑料:适用温度范围-50~150℃,这种材料有较好的力学性能,尺寸稳定。

低温热电阻

当用于测量120K以下温度时,常用热电阻无法使用,因此必须选用低温热电阻。低温热电阻常用于对液态天然气、液氢、液氨、超导等应用场合,因此这些热电阻具有体积小、反应速度快、精确度高、复现性和稳定性好等特点。


1:铂电阻电阻率与温度关系曲线;2:铂电阻相对灵敏度曲线

1.低温铂电阻:适用温度范围13~90K,具有灵敏度高,线性度好,性能稳定,通用性强,分度标准化等特点,但当温度低于13K时,灵敏度显著下降。

2.铑铁热电阻:适用温度范围0.3~20K,恰好弥补了低温铂电阻的不足,这种电阻的缺点是电阻丝的均匀性差。

3.锗热电阻:适用温度范围0.1~100K,属于半导体热电阻,在低温下有较大的负温度系数,灵敏度很高,热容小,自热小,机械强度好;缺点是磁阻效应大,互换性较差。

4.渗碳玻璃热电阻:适用温度范围1.6~300K,但经常用于测量1.6~30K。这种低温热电阻在1.6~30K范围内有较高的灵敏度,稳定性能也很好,制造工艺简单,成本相对较低。

引线形式

由于一般的热电阻阻值不大,因此热电阻本身引线和电缆的电阻变化都会给温度的测量结果带来很大影响。一般是通过接线方式进行消除。

测量元件引线形式有二线制、三线制和四线制,购买热电阻时常见产品为三线制和四线制。


二线制是指热电阻两端各引出一根导线,这种测量方法简单,但是由于连接导线的电阻不能消除所以会造成测量误差,常用于短距离要求不高的场合。

精度等级达到铂电阻A级的热电阻不适采用二线制接法。


三线制是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,这种方式通常与电桥配套使用,两个导线分别接在电桥的两个桥背上,另一根线接在电桥的电源上,消除了引线电阻的误差,这种方法一般在工业中最常用。


四线制是在热电阻的根部两端各连接两根导线,其中两根引线为热电阻提供恒定电流,把电阻转换成电压信号;另外两根导线测量热电阻上面的电压,由于电压测量仪器内阻很高,不分流,测到的电压就完全是热电阻两端的电压,电流已知,通过欧姆定律算出电阻值再转换成温度。这种方法测量精度高,适用于高精度测量用。

外保护套管结构形式


当工艺过程存在高压、高流速或腐蚀性的情况,热电阻本身的保护管不能适用于这样的条件时,以及要求未装仪表前工艺管道或设备为密闭系统的场合,应采用温度计套管,以保证安全和正常操作。化工工程一般都要求温度计配用外保护套管。

对于中、低压介质宜选用无缝钢管式温度计套管;对于高压介质场合,宜选用直形或锥形整体钻孔管式温度计套管;对于被测介质流速较高或要求温度计套管有高强度的场合,应选用锥形整体钻孔式套管;对于要求减小阻力或减小热响应时间的场合,可选用阶梯形温度计套管。对于高压、高流速用途的温度计套管还要进行固有频率、谐振频率计算及强度分析。

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