第14講熱電阻

1、溫度檢測溫度檢測溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度是表示物體冷熱程度的物理量。 從熱平衡的觀從熱平衡的觀點(diǎn)來看，點(diǎn)來看， 溫度是物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程溫度是物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，度的標(biāo)志， 溫度高的物體，溫度高的物體， 其內(nèi)部分子平均動(dòng)能大；其內(nèi)部分子平均動(dòng)能大； 溫度低的物體，溫度低的物體， 其內(nèi)部分子的平均動(dòng)能小。其內(nèi)部分子的平均動(dòng)能小。 溫度的基本概念溫度的基本概念溫標(biāo)溫標(biāo)1. 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)，稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)，

2、稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，有華氏、攝氏、有華氏、攝氏、 蘭氏、列氏溫標(biāo)等。蘭氏、列氏溫標(biāo)等。 （1） 華氏溫標(biāo)：華氏溫標(biāo)： 它規(guī)定水的沸騰溫度為它規(guī)定水的沸騰溫度為212度，度， 氯氯化銨和冰的混合物為化銨和冰的混合物為0度，度， 這兩個(gè)固定點(diǎn)中間等分為這兩個(gè)固定點(diǎn)中間等分為212份，份， 每一份為每一份為1度，記為度，記為 。 （2） 攝氏溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)： 它把冰點(diǎn)定為它把冰點(diǎn)定為0度，把水的沸點(diǎn)定度，把水的沸點(diǎn)定位位100度，將兩個(gè)固定點(diǎn)之間的距離等分為度，將兩個(gè)固定點(diǎn)之間的距離等分為100份，每份，每一份為一份為1度，度， 記為記為。 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的缺點(diǎn)在于其局限性和隨意性。例如，若經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的缺點(diǎn)在于其

3、局限性和隨意性。例如，若選用水銀溫度計(jì)作為溫標(biāo)規(guī)定的溫度計(jì)，選用水銀溫度計(jì)作為溫標(biāo)規(guī)定的溫度計(jì)， 那么別的那么別的物質(zhì)（例如酒精）就不能用了，而且使用溫度范圍也物質(zhì)（例如酒精）就不能用了，而且使用溫度范圍也不能超過上下限（如不能超過上下限（如0， 100），超過了就不能），超過了就不能標(biāo)定溫度了。標(biāo)定溫度了。 2.熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)物理學(xué)家開爾文根據(jù)卡諾熱機(jī)原理提出了熱力學(xué)溫物理學(xué)家開爾文根據(jù)卡諾熱機(jī)原理提出了熱力學(xué)溫度，度， 但需要從與理想氣體狀態(tài)方程入手來復(fù)現(xiàn)。但需要從與理想氣體狀態(tài)方程入手來復(fù)現(xiàn)。 由由于實(shí)際氣體與理想氣體的差異，于實(shí)際氣體與理想氣體的差異， 當(dāng)用氣體溫度計(jì)測當(dāng)用氣體溫

4、度計(jì)測量溫度時(shí)，量溫度時(shí)， 總要進(jìn)行一些修正，總要進(jìn)行一些修正， 因此，因此， 氣體溫標(biāo)的氣體溫標(biāo)的建立是相當(dāng)繁雜的，建立是相當(dāng)繁雜的， 而且使用同樣繁雜，而且使用同樣繁雜， 很不方便。很不方便。 3.國際溫標(biāo)國際溫標(biāo) 第一個(gè)國際溫標(biāo)是第一個(gè)國際溫標(biāo)是1927年第七屆國際計(jì)量大會(huì)決定年第七屆國際計(jì)量大會(huì)決定采用的溫標(biāo)，采用的溫標(biāo)， 稱為稱為“1927年國際溫標(biāo)年國際溫標(biāo)”， 記為記為ITS-27。 此后大約每隔此后大約每隔20年進(jìn)行一次重大修改，年進(jìn)行一次重大修改， 相繼有相繼有ITS-48、 IPTS-68和和EPT-76、 ITS-90。 國際溫標(biāo)做國際溫標(biāo)做重大修改的原因，重大修改的原因

5、， 主要是由于溫標(biāo)主要是由于溫標(biāo)“三要素三要素”發(fā)生變發(fā)生變化?；?ITS-90是是1989年年7月第月第77屆國際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)屆國際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)的、的、 國際溫度咨詢委員會(huì)制定的新溫標(biāo)。國際溫度咨詢委員會(huì)制定的新溫標(biāo)。 從從1994年年1月月1日起全面實(shí)行新溫標(biāo)。日起全面實(shí)行新溫標(biāo)。 ITS-90的熱力學(xué)溫度仍記作的熱力學(xué)溫度仍記作T，為了區(qū)別于以前的溫，為了區(qū)別于以前的溫標(biāo)，標(biāo)， 用用“T90代表新溫標(biāo)的熱力學(xué)溫度，代表新溫標(biāo)的熱力學(xué)溫度， 其單位仍是其單位仍是K。與此并用的攝氏溫度記為。與此并用的攝氏溫度記為t90，單位是，單位是。T90與與t90的關(guān)系仍是的關(guān)系仍是 15.273

6、9090Tt各溫標(biāo)間的換算關(guān)系各溫標(biāo)間的換算關(guān)系 熱電式傳感器的分類熱電式傳感器的分類熱電偶傳感器熱敏電阻熱電阻熱電阻傳感器熱電式傳感器溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢變化溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢變化金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置。的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置?？煞譃椋嚎煞譃椋簾犭娮枋絺鞲衅鳠犭娮枋絺鞲衅?. 熱電阻的工作原理和材料熱電阻的工作原理和材料純金屬具有正的溫度系數(shù)，純金屬具有正的溫度系數(shù)， 可以作為測溫元件。作

7、可以作為測溫元件。作為測溫用的熱電阻應(yīng)具有下列要求：為測溫用的熱電阻應(yīng)具有下列要求： 電阻溫度系數(shù)大，電阻溫度系數(shù)大，以獲得較高的靈敏度；以獲得較高的靈敏度； 電阻率高，電阻率高， 元件尺寸可以??；元件尺寸可以??； 電阻值隨溫度變化盡量是線性關(guān)系；電阻值隨溫度變化盡量是線性關(guān)系； 在測溫范圍內(nèi)，在測溫范圍內(nèi)， 物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；物理、化學(xué)性能穩(wěn)定； 材料質(zhì)純、材料質(zhì)純、 加工方便和價(jià)格加工方便和價(jià)格便宜等。鉑、銅、鐵和鎳是常用的熱電阻材料，便宜等。鉑、銅、鐵和鎳是常用的熱電阻材料， 其中其中鉑和銅最常用。鉑和銅最常用。1 1）鉑熱電阻）鉑熱電阻鉑熱電阻的統(tǒng)一型號為鉑熱電阻的統(tǒng)一型號為WZPW

8、ZP，其物理、化學(xué)性能非常，其物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，穩(wěn)定， 長期復(fù)現(xiàn)性最好，長期復(fù)現(xiàn)性最好， 測量精度高。鉑熱電阻主測量精度高。鉑熱電阻主要用作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)。要用作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)。 國際標(biāo)準(zhǔn)有國際標(biāo)準(zhǔn)有Pt100Pt100， 測溫測溫范圍為范圍為-200-200960960，電阻溫度系數(shù)為，電阻溫度系數(shù)為3.93.910-3/10-3/，00時(shí)電阻值為時(shí)電阻值為100100。但鉑在高溫下，。但鉑在高溫下， 易受還原性易受還原性介質(zhì)污染，使鉑絲變脆并改變鉑絲電阻與溫度間的關(guān)介質(zhì)污染，使鉑絲變脆并改變鉑絲電阻與溫度間的關(guān)系，系， 因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中。因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中。常用熱電

9、阻常用熱電阻2 2）銅熱電阻）銅熱電阻銅熱電阻的統(tǒng)一型號為銅熱電阻的統(tǒng)一型號為WZCWZC，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、純，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、純度高、度高、 復(fù)制性好，電阻溫度系數(shù)為復(fù)制性好，電阻溫度系數(shù)為（4.254.254.284.28）10-3/10-3/， 線性特性僅次于鉑和銀，線性特性僅次于鉑和銀， 但比但比鉑電阻有較高的靈敏度，常用來做鉑電阻有較高的靈敏度，常用來做-50-50150150范圍內(nèi)范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度計(jì)；其缺點(diǎn)是電阻率較低，容易氧的工業(yè)用電阻溫度計(jì)；其缺點(diǎn)是電阻率較低，容易氧化，為此只能用在較低溫度和沒有水份及腐蝕性的介化，為此只能用在較低溫度和沒有水份及腐蝕性的介質(zhì)中。目前

10、國標(biāo)規(guī)定的銅熱電阻有質(zhì)中。目前國標(biāo)規(guī)定的銅熱電阻有Cu50Cu50和和Cu100Cu100兩種。兩種。3 3）薄膜鉑熱電阻）薄膜鉑熱電阻一般鉑熱電阻的時(shí)間常數(shù)為幾秒至幾十秒，一般鉑熱電阻的時(shí)間常數(shù)為幾秒至幾十秒， 在測量在測量表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度時(shí)精度不高。表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度時(shí)精度不高。 薄膜鉑熱電阻和薄膜鉑熱電阻和厚膜鉑熱電阻的熱響應(yīng)時(shí)間特別短，一般在厚膜鉑熱電阻的熱響應(yīng)時(shí)間特別短，一般在0.10.10.3 0.3 s s， 適用于表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度的測量。適用于表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度的測量。熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu)通常由電阻體、熱電阻的結(jié)構(gòu)通常由電阻體、 絕緣體、絕緣體、 保護(hù)套管和

11、保護(hù)套管和接線盒四部分組成。接線盒四部分組成。 一般是將電阻絲繞在云母或石英、一般是將電阻絲繞在云母或石英、 陶瓷、陶瓷、 塑料等絕緣骨架上，塑料等絕緣骨架上， 固定后套上保護(hù)套管，固定后套上保護(hù)套管， 在熱電阻絲與套管間填上導(dǎo)熱材料即成。在熱電阻絲與套管間填上導(dǎo)熱材料即成。 鉑絲的直徑鉑絲的直徑為為0.030.07 mm。 熱敏電阻的分類熱敏電阻的分類負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：簡稱負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：簡稱NTCNTC，型號用，型號用MFMF表示。表示。 在工作溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度上升而非線性下降，在工作溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度上升而非線性下降， 溫度系數(shù)為溫度系數(shù)為-(1-(16)%/6)%/。

12、臨界負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：簡稱臨界負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：簡稱CTRCTR。CTRCTR是一種開是一種開關(guān)型關(guān)型NTCNTC，在臨界溫度附近，阻值隨溫度上升而急劇，在臨界溫度附近，阻值隨溫度上升而急劇減小。減小。 正溫度系數(shù)熱敏電阻：正溫度系數(shù)熱敏電阻： 簡稱簡稱PTCPTC， 型號用型號用MZMZ表示。表示。 在工作溫度范圍內(nèi)，在工作溫度范圍內(nèi)， 其電阻值隨溫度上升而非線性其電阻值隨溫度上升而非線性增大。增大。溫度特性溫度特性)11(00TTBTeRR2TB伏安特性伏安特性熱敏電阻的主要特性熱敏電阻的主要特性3.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻的結(jié)構(gòu)4.熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的線性化熱

13、敏電阻的線性化1.串聯(lián)電阻法串聯(lián)電阻法對對NTC熱敏電阻熱敏電阻Rt串聯(lián)一個(gè)選配合適的溫度系數(shù)很串聯(lián)一個(gè)選配合適的溫度系數(shù)很小的金屬電阻小的金屬電阻RX，在一定范圍內(nèi)可使溫度與組合電，在一定范圍內(nèi)可使溫度與組合電阻阻RS的倒數(shù)成線性關(guān)系，從而使溫度與電流成線性的倒數(shù)成線性關(guān)系，從而使溫度與電流成線性關(guān)系，如圖所示。關(guān)系，如圖所示。熱敏電阻線性化熱敏電阻線性化MHLHLHLMRRRRRRRRR22)(2.2.橋路法橋路法如圖所示為一種橋路法線性化電路，在測量范圍不大時(shí)，可如圖所示為一種橋路法線性化電路，在測量范圍不大時(shí)，可得較滿意的結(jié)果。設(shè)得較滿意的結(jié)果。設(shè)T TH H、T TL L、T TM

14、M分別為測溫上、下限和中點(diǎn)，其分別為測溫上、下限和中點(diǎn)，其相應(yīng)電阻值為相應(yīng)電阻值為R RH H、R RL L、R RM M 可由特性曲線中獲得。串聯(lián)在熱敏電可由特性曲線中獲得。串聯(lián)在熱敏電阻中的阻中的R R的最佳值為的最佳值為線性電路及曲線圖線性電路及曲線圖熱電式傳感器的接線方式熱電式傳感器的接線方式兩線制：接線簡單，但對引線電阻有一定要求，否則兩線制：接線簡單，但對引線電阻有一定要求，否則會(huì)引起測量誤差，常用于不需較高精度且測量溫度的會(huì)引起測量誤差，常用于不需較高精度且測量溫度的熱電阻與儀表較近的場合。熱電阻與儀表較近的場合。三線制：可減少熱電阻與測量儀表間連接導(dǎo)線因環(huán)境三線制：可減少熱電阻

15、與測量儀表間連接導(dǎo)線因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。（見書溫度變化所引起的測量誤差。（見書P169圖圖6.2.9）四線制：不僅可消除熱電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線四線制：不僅可消除熱電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線電阻的影響，且可消除測量線路中寄生電勢引起的測電阻的影響，且可消除測量線路中寄生電勢引起的測量誤差，多用于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量和實(shí)驗(yàn)室。量誤差，多用于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量和實(shí)驗(yàn)室。 （見書（見書P169圖圖6.2.10）熱電阻傳感器的應(yīng)用熱電阻傳感器的應(yīng)用1.1.溫度檢測及指示溫度檢測及指示運(yùn)用實(shí)例：汽車水溫測量、自動(dòng)熱水器、電冰箱等家用電器的運(yùn)用實(shí)例：汽車水溫測量、自動(dòng)熱水器、電冰箱等家用電器的溫度控制等。溫度控

16、制等。優(yōu)點(diǎn)：精度高，適于測低溫，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測量優(yōu)點(diǎn)：精度高，適于測低溫，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測量和自動(dòng)控制。和自動(dòng)控制。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，測點(diǎn)溫度困難。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，測點(diǎn)溫度困難。2.流量測量流量測量3.3.溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路Rt被補(bǔ)償元件被補(bǔ)償元件猛銅絲電阻猛銅絲電阻4 4過熱保護(hù)過熱保護(hù)作為防災(zāi)和過熱保護(hù)的連接方式有直接保護(hù)和間接作為防災(zāi)和過熱保護(hù)的連接方式有直接保護(hù)和間接保護(hù)兩種形式。在小電流場合，可把保護(hù)兩種形式。在小電流場合，可把PTCPTC直接與被保直接與被保護(hù)器件串聯(lián)，在大電流場合，可通過繼電器、晶體護(hù)器件串聯(lián)，在大電流場合，可通過繼電器、

17、晶體管開關(guān)對被保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。這兩種形式都必須管開關(guān)對被保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。這兩種形式都必須將將PTCPTC電阻與保護(hù)對象緊密安裝在一起，以保證能充電阻與保護(hù)對象緊密安裝在一起，以保證能充分進(jìn)行熱交換，使得過熱保護(hù)及時(shí)。分進(jìn)行熱交換，使得過熱保護(hù)及時(shí)。圖為圖為PTCPTC電阻對馬達(dá)的電阻對馬達(dá)的過熱保護(hù)電路。圖中按過熱保護(hù)電路。圖中按下開關(guān)時(shí)下開關(guān)時(shí)R RT T較小，其上較小，其上電流大，繼電器電流大，繼電器J J吸合，吸合，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，K K又自動(dòng)打開，又自動(dòng)打開，電源通過電源通過J J給馬達(dá)、給馬達(dá)、PTCPTC電阻提供電流，馬達(dá)轉(zhuǎn)電阻提供電流，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度升高，動(dòng)溫度升高，R R

18、T T值增大值增大使其上分流下降，當(dāng)馬使其上分流下降，當(dāng)馬達(dá)溫度過高達(dá)溫度過高,I,IRTRT小于一小于一定值時(shí)，定值時(shí)，J J斷開，保護(hù)了斷開，保護(hù)了馬達(dá)過熱狀態(tài)。馬達(dá)過熱狀態(tài)。圖中接上電源，起圖中接上電源，起動(dòng)時(shí)動(dòng)時(shí)R RT T較小，變壓較小，變壓器上電流大，功耗器上電流大，功耗也大，使溫度上升，也大，使溫度上升，R RT T隨之增加，電流隨之增加，電流又減小，變壓器功又減小，變壓器功耗減小，防止了變耗減小，防止了變壓器過熱。壓器過熱。5.5.自動(dòng)延時(shí)電路自動(dòng)延時(shí)電路由于由于PTCPTC熱敏電阻從兩端加上電壓開始，到電阻增熱敏電阻從兩端加上電壓開始，到電阻增加到確定值需要一定的時(shí)間，所以可

19、用作延遲。加到確定值需要一定的時(shí)間，所以可用作延遲。圖中當(dāng)其中電源接通時(shí)，圖中當(dāng)其中電源接通時(shí)，R RT T較小，此支路的分流大，較小，此支路的分流大，繼電器因電流小而不動(dòng)作，繼電器因電流小而不動(dòng)作，燈沒有亮，經(jīng)過一定時(shí)間燈沒有亮，經(jīng)過一定時(shí)間后，后，R RT T因功耗而增大，分因功耗而增大，分流減小，當(dāng)繼電器上電流流減小，當(dāng)繼電器上電流增大到可動(dòng)值時(shí)才動(dòng)作，增大到可動(dòng)值時(shí)才動(dòng)作，即繼電器動(dòng)作延遲，燈也即繼電器動(dòng)作延遲，燈也就延遲打開，其延遲時(shí)間就延遲打開，其延遲時(shí)間可由可由R R0 0調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。自動(dòng)延時(shí)電路自動(dòng)延時(shí)電路圖為空調(diào)機(jī)、電冰箱和電風(fēng)扇微圖為空調(diào)機(jī)、電冰箱和電風(fēng)扇微風(fēng)檔等設(shè)備的馬達(dá)

20、啟動(dòng)原理電路。風(fēng)檔等設(shè)備的馬達(dá)啟動(dòng)原理電路。一般馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)，需要較大的啟一般馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)，需要較大的啟動(dòng)功率，而當(dāng)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所動(dòng)功率，而當(dāng)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所需功率大幅度減小。為此，常給需功率大幅度減小。為此，常給這類單相電機(jī)裝上附加啟動(dòng)繞阻這類單相電機(jī)裝上附加啟動(dòng)繞阻L L2 2，該繞阻只在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)工作，該繞阻只在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)工作，而當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后自動(dòng)斷開。而當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后自動(dòng)斷開。PTCPTC熱敏電阻器在此充當(dāng)自動(dòng)通斷熱敏電阻器在此充當(dāng)自動(dòng)通斷的無觸點(diǎn)開關(guān)。的無觸點(diǎn)開關(guān)。原理原理: :把把PTCPTC元件與元件與L L2 2串聯(lián)，由于熱敏電阻的冷態(tài)電阻串聯(lián)，由于熱敏電阻的冷態(tài)電阻遠(yuǎn)小于啟動(dòng)線圈阻抗遠(yuǎn)小于啟動(dòng)線圈阻抗R RL2L2, ,因此對啟動(dòng)電流幾乎沒有影因此對啟動(dòng)電流幾乎沒有影響。隨著熱敏電阻被加熱，電阻值升高，當(dāng)電阻值升響。隨著熱敏電阻被加熱，電阻值升高，當(dāng)電阻值升高到遠(yuǎn)大于高到遠(yuǎn)大于R RL2L2時(shí)，啟動(dòng)繞阻視同切斷。時(shí)，啟動(dòng)繞阻視同切斷。6.6.溫控電路溫控電路圖為圖為NTCNTC熱敏電阻與繼電器組成的控溫電路。熱敏電阻與繼電器組成的控溫電路。起初被控溫