第15章應(yīng)用1.2熱電阻測(cè)溫

15.1.4熱電阻傳感器利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫。熱電阻傳感器的分類：金屬熱電阻半導(dǎo)體熱電阻。

一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。熱電阻用來測(cè)量—200℃

～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下：低溫可測(cè)量至1K

，高溫達(dá)1000℃。

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成，如圖15-18所示。熱電阻傳感器

熱電阻也可與溫度變送器連接，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。

1.常用熱電阻

用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率，R——t關(guān)系最好成線性，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好。目前最常用的熱電阻：鉑熱電阻銅熱電阻。

(1)鉑熱電阻精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，在溫度傳感器中廣泛應(yīng)用。鉑熱電阻的使用溫度范圍：－200℃

～850℃。

鉑熱電阻的特性方程

在－200℃

～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t－100)］

在0～850℃的溫度范圍內(nèi)

Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt——鉑熱電阻在t℃時(shí)的電阻值；R0—鉑熱電阻在0℃時(shí)的電阻值；

A、B和C——常數(shù)。

A=3.9083×10-3/℃

B=－5.775×10-7/℃2

C=－4.183×10-12/℃4

熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。

鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt－t的關(guān)系表，在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。Pt100的分度表見表15-8。鉑電阻分度表

鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W（100）表示，即

R100——鉑熱電阻在100℃時(shí)的電阻值；R0——鉑熱電阻在0℃時(shí)的電阻值。

電阻比W（100）越大，其純度越高。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)使用的鉑熱電阻的W100≥1.3850。目前技術(shù)水平：

W（100）=1.3930，

其對(duì)應(yīng)鉑的純度為99.9995%。

(2)銅熱電阻鉑是貴重金屬，在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)量范圍為－50℃

～150℃。銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）

α為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，取α=4.28×10-3/℃。

銅熱電阻有兩種分度號(hào)，分別為：Cu50(R0=50Ω)Cu100（R100=100Ω）。

銅熱電阻線性好，價(jià)格便宜。但測(cè)量范圍窄，

易氧化，

不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。

2.熱電阻的結(jié)構(gòu)

熱電阻結(jié)構(gòu)

電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。

引出線采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲，它與接線盒柱相接，以便與外接線路相連而測(cè)量及顯示溫度。用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。

熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種，如圖15-20所示。內(nèi)部引線方式

二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大，用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合。

三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。

四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，用于高精度溫度檢測(cè)。

2.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻器1.分類及特性 按半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的特性分為三種類型：負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）在某一特性溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻（CTR）。它們的特性曲線如圖2.14所示。圖2.14三種類型熱敏電阻的典型特性

由圖2.14可見,使用CTR組成熱控制開關(guān)是十分理想的。但在溫度測(cè)量中,則主要采用NTC,其溫度特性如下式所示：

Rt——為T時(shí)的熱敏電阻值；R0——為T0時(shí)的熱敏電阻值；

B——熱敏電阻的材料常數(shù),其值主要取決于熱敏電阻的材料。一般情況下,B=2000～6000K,在高溫下使用時(shí),B值將增大； 若定義為熱敏電阻的溫度系數(shù)α,則有

可見,α隨溫度降低而迅速增大。如B＝4000K,當(dāng)T=293.15K(20℃)時(shí),求得α=4.7%/℃,約為鉑電阻的12倍,因此,這種測(cè)溫電阻靈敏度高。R0的常用范圍是幾百歐到一百千歐,所以,這種測(cè)溫電阻的引線電阻影響小,可以忽略。體積小也是它的又一特點(diǎn)。由于有這些特點(diǎn),使它非常適合于測(cè)量微弱的溫度變化、溫差以及溫度場(chǎng)的分布。

2.使用時(shí)的注意事項(xiàng) 在使用熱敏電阻時(shí),要注意到自熱效應(yīng)問題,但是,必須特別注意的有如下兩點(diǎn)。 1）熱敏電阻溫度特性的非線性 熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,也就是說,其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換時(shí),應(yīng)考慮線性化處理。常用的線性化方法如下。 （1）線性化網(wǎng)絡(luò)。利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)（常稱線性化網(wǎng)絡(luò)）來代替單個(gè)的熱敏電阻,其一般形式如圖2.15所示。圖2.15熱敏電阻的線性化網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)Rt的實(shí)際特性和要求的網(wǎng)絡(luò)特性RT（t）,通過計(jì)算或圖解方法確定網(wǎng)絡(luò)中的電阻R1、R2、R3。目前這種方法用得較多。為了提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度,可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行。

（2）利用電子裝置中其它部件的特性進(jìn)行綜合修正。圖2.16是一個(gè)溫度——頻率轉(zhuǎn)換電路。圖2.16溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路它實(shí)際是一個(gè)三角波——方波變換器,電容C的充電特性是非線性特性。適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻r和R,加上Rt,可以在一定的溫度范圍內(nèi),得到近似于線性的溫度——頻率轉(zhuǎn)換特性。該電路的振蕩周期為

（3）計(jì)算修正法。在帶有微處理機(jī)（或微型計(jì)算機(jī)）的測(cè)量系統(tǒng)中,當(dāng)已知熱敏電阻的實(shí)際特性和要求的理想特性時(shí),可采用線性插值法將特性分段,并把各分段點(diǎn)的值存放在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)。計(jì)算機(jī)將根據(jù)熱敏電阻器的實(shí)際輸出值進(jìn)行校正計(jì)算后,給出要求的輸出值。

2）熱敏電阻器特性的穩(wěn)定性和老化問題早期熱敏電阻器的應(yīng)用曾因其特性的不穩(wěn)定、分散性、缺乏互換性和老化問題而受到限制。近十幾年來,隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高,產(chǎn)品性能已得到很大的改善?，F(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶,并具有互換性的熱敏電阻,而且還能制造出300℃以下可忽略老化影響的產(chǎn)品。但不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大。

一般說,正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。 在輻射熱檢測(cè)器中,采用薄膜式金屬電阻和熱敏電阻薄膜,構(gòu)成熱量型檢測(cè)器,將輻射熱轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 3.應(yīng)用舉例 電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)裝置組成電路原理如圖2.17所示。圖2.17電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)裝置組成電路原理

三只特性相同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（如RRC6型）（經(jīng)測(cè)試，阻值在20℃時(shí)為10kΩ；100℃時(shí)為1kΩ;110℃時(shí)為0.6kΩ）放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)繞組旁,緊靠繞組,每相各放置一只