溫度測量熱電阻傳感器

電阻式溫度傳感器電阻式傳感器廣泛應(yīng)用于測量-200～960〔鉑和銅熱電阻及半導(dǎo)體熱電阻(熱敏電阻)兩大類。一、常用的金屬熱電阻6-16-1金屬熱電阻傳感器測量示意圖下降，即電阻增加。通過測量導(dǎo)體的電阻變化狀況就可以得到溫度變化狀況。最根本的熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成，如圖7-1所示。主要制-22～+851000℃。1、鉑熱電阻10-4K，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計。同時其測量精度高。在氧化性介質(zhì)中、甚至在高溫下，其物理、化學(xué)性能都很穩(wěn)定，其阻值與溫度之間幾乎成線性變化。測量。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)，因此鉑電阻的純度是以W〔100〕表示：WW(100)100 〔6-1〕R0W〔100〕W〔100〕1.390。中國常用的鉑電阻有兩種，分度號分別為Pt50和Pt100050Ω100Ω。鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：t在－200℃≤t≤0℃時：RRt

[1AtBt2C(t100)t3] 〔6-2〕t0℃≤t≤650℃時：RRt

[1AtBt2] 〔6-3〕式中 Rt──鉑熱電阻在t℃時的阻值R0──鉑熱電阻在0℃時的阻值A(chǔ)──常數(shù)，為3.90802×10-3℃-1B──常數(shù)，為-5.802×10-7℃-2C──常數(shù)，為-4.27350×10-12℃-4/℃電阻值/Ω表6-1 /℃電阻值/Ω溫度0102030405060708090-20018.49─────────-10060.2556.1952.1148.0043.3739.7135.5331.3227.0822.80-0100.0096.0992.1688.2284.2780.3176.3272.3368.3364.300100.00103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.07130.89134.70100136.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04164.76168.46172.16200175.84170.51183.17186.32190.45194.07197.69201.29204.88208.45300212.02215.57219.12222.65226.17229.67233.17236.65240.13243.59400247.04250.48253.90257.32260.72264.11267.49270.86274.22277.56500280.90284.22287.53290.83294.11297.39300.65303.91307.15310.38600313.59316.80319.99323.18326.35329.51332.66335.79338.92342.03700345.13348.22351.30354.37357.42360.47363.50366.52369.53372.52800375.51378.48381.45384.40387.34390.26────7-20.03～0.07mm±0.005mmd鉑絲承受雙線法繞〔消退電感在云母骨架上，再用銀帶扎緊。鉑電阻體承受銀絲作為引出線。7-2鉑電阻體的構(gòu)造⑵銅熱電阻銅熱電阻主要應(yīng)用于測量―50～150℃范圍內(nèi)且精度要求不高且溫度較低的場合易簡潔提純、加工，價格廉價，復(fù)制性能好而且電阻溫度系數(shù)大，溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高。但銅熱電阻與鉑熱電阻相比，銅的電阻率低，因此銅電阻的體積較大。而且銅易于氧化，一般只用于150℃以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。銅電阻在―50～150℃范圍內(nèi)其阻值與溫度之間幾乎呈線性變化，關(guān)系可以表示為RRt

(1t) 〔6-4〕式中 R ──銅熱電阻在t℃時的阻值tR0℃時的阻值0α──銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，α=4.25×10-3℃-1～4.28×10-3℃-1目前我國工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的的分度號為分別為Cu50和Cu100零度時R(0℃)50Ω100Ω。銅電阻的電阻比R(100℃)/R(0℃)=1.428±0.002。分度6-26-3/℃電阻值/Ω表6-2 /℃電阻值/Ω溫度0102030405060708090-050.0047.8545.7043.5541.4039.24────050.0052.1454.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13────/℃電阻值/Ω表6-3 銅電阻〔分度號/℃電阻值/Ω溫度0102030405060708090-0100.0095.7091.4087.1082.8078.49────0100.00104.28108.56112.84117.12121.40125.68129.96134.24138.52100142.80147.08151.36155.66159.96164.27────7-30.1mm±0.005mm在骨架上，并涂上絕緣漆。用直徑為1mm6-3銅電阻體的構(gòu)造二、半導(dǎo)體熱敏電阻在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有熱電偶、熱電阻〔如鉑、銅電阻溫度計等〕和熱敏電阻。但熱敏電阻進展最為快速，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在很多場合下〔-40～＋350℃〕熱敏電阻已漸漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。1、熱敏電阻的分類熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、硅等半導(dǎo)體材料，按特定工藝制成的電阻率隨溫度變化而變化的感溫元件。熱敏電阻可分為三種6-4所示，即：正溫度系數(shù)〔PTC〕熱敏電阻在肯定溫度范圍內(nèi)電阻率隨溫度上升而增加。此類熱敏電阻主要由鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成。主要用于彩電消磁，各種電器設(shè)備的過寵保護，發(fā)熱源的定溫掌握，限流元件。負溫度系數(shù)〔NTC〕熱敏電阻6-46-4熱敏電阻典型特性臨界溫度〔CTR〕熱敏電阻此類熱敏電阻又分兩類：一類用于測量溫度，它的阻值與溫度之間呈負的指數(shù)關(guān)系。另制浪涌電流，起保護作用。圖圖6-5 負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻構(gòu)造2、熱敏電阻的特點熱敏電阻溫度系數(shù)比金屬大49倍；電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點溫、外表溫度及快速變化的溫度；構(gòu)造簡潔、機械性能好、穩(wěn)定性好。1Ω～10MΩ之間可供自由選擇；原料資源豐富，價格低廉。材料加工簡潔、性能好；3、熱敏電阻的特性-溫度特性、動態(tài)特性等，其中溫度特性、伏安特性最為重要。以下面就以NTC型熱敏電阻為例說明這兩個特性：溫度特性NTC不太寬的溫度范圍〔小于450℃，熱敏電阻的阻值R都能利用式7-5T是此公式僅是一個閱歷公式。1 1 1 1 R R

eBTT

R

eB273t273t 0 0T 0 00

0 〔6-5〕式中R,RT 0

——T，T

時的阻值；0T,T——介質(zhì)的起始溫度和變化溫度；00t,t——介質(zhì)的起始溫度和變化溫度〔℃；0B——2023～6000B值越大，熱靈敏度越高。B值可由以下公式求出R 1 1Bln

T

〔6-6〕R T T0 0熱敏電阻在其本身溫度變化1℃時，電阻值的相對變化量叫熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)αB值一樣是表征熱敏電阻材料性能的重要參數(shù)。是指1dR B T

〔6-7〕R dT T2T由公式7-7可以看出，熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值。而且溫度減小，電阻溫度系數(shù)σ增溫測量〔10～30℃。伏安特性在穩(wěn)態(tài)狀況下，通過熱敏電阻的電流IU之間的關(guān)系稱為伏安特性。如6-6所示bacdαβ當(dāng)流過熱敏電阻bacdαβU〔I<IU0加熱，電阻值環(huán)境溫度的影響，因此伏 m安特性是直線，遵循歐姆定律。主要用 U0來測溫。當(dāng)電流增大到肯定值〔I<I〕時，m流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度上升，消滅負阻特性。因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。其所能上升的溫度與環(huán)境散熱條件有關(guān)。如0 果當(dāng)電流和四周介質(zhì)溫度肯定時，熱敏 I I I0 6-66-6NTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性4、熱敏電阻的主要參數(shù)RH在環(huán)境溫度為25±0.2幾何尺寸。H1℃所耗散的功率變化量，單位為mW/℃。在工作范圍內(nèi)，H會隨環(huán)境溫度變化而變化。電阻溫度系數(shù)α熱敏電阻的溫度變化1℃時電阻值的變化率。通常指溫標(biāo)為20℃時的溫度系數(shù)，單位%/℃；能量靈敏度G1％所需耗散的功率。單位為W。H、電阻溫度系數(shù)α、能量靈敏度G之間關(guān)系如下式：C

GH

100 (6-8)熱敏電阻的溫度變化1J／℃；時間常數(shù)τT0

的熱敏電阻突然置于溫度為T的介質(zhì)中〔無視其通過電流所產(chǎn)生的熱量，熱敏電阻的溫度增量ΔT=0.63(T－T之間關(guān)系為：

)時所需的時間。時間常數(shù)、熱容量C、Hτ0τCHPE在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻長期連續(xù)使用所允許的耗散功率，單位為W。在實際使用時，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率最高工作溫度T 與最低工作溫度Tmax min在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度和最低溫度。Tc熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。三、電阻式溫度傳感器1、金屬熱電阻傳感器業(yè)廣泛運用于－200～+500℃溫度測量。但需要留意的是熱電阻變化一般要經(jīng)過不平衡電橋誤差，熱電阻連入不平衡電橋通常承受三線制、四線制。三線制工業(yè)用熱電阻一般承受三線制，在電阻體R一端連接出兩根引出線，另一端引出一根連t接線，此種引線方式稱為三線制，如圖7-7所示。當(dāng)熱電阻和電橋協(xié)作使用時，三線制可以較好的消退引出線電阻的影響，提高測量精度。G——G——檢流計R1R2R——固定電阻3R——零位調(diào)整電阻aR——熱電阻t6-7熱電阻測溫電橋的三線制接法四線法周密測量中，承受四線制接法。在電阻體兩端各引出兩根連接線稱為四線制。這種引出線的方式消退了不僅連接線電阻的影響。而且還消退了測量電路中寄生電勢引起的誤差。6-8熱電阻測溫電橋的四線制接法2、熱敏電阻傳感器的應(yīng)用控溫、溫度補償、流速測量、液面指示等。但歸納其功能主要有四個方面：⑴溫度測量6-8熱敏電阻測溫原理2 W 1熱敏電阻測溫原理如圖6-8所示，作為測量溫度用熱敏電阻構(gòu)造比較簡潔，價格廉價。-5℃300.1”分別為電壓斷開、S置于適宜量程，在開關(guān)S將置于“1”校正，調(diào)整電位計R使檢流計G指示滿偏，后將S6-8熱敏電阻測溫原理2 W 1⑵溫度掌握6-9所示，用熱敏電阻Rt與一個電阻串聯(lián)R，并加上一恒定電壓VCC。當(dāng)四周介質(zhì)溫度升到掌握溫度時，電路的電流由格外之幾毫安變?yōu)閹资涟?，?dǎo)致三極管VT1、VT2截至。繼電器J失電而動作，實現(xiàn)溫度掌握或者過寵保護。6-9熱敏電阻溫度掌握原理⑶溫度補償6-10熱敏電阻溫度