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温度传感器之热电阻

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热电阻是属于温度传感器的一种,一般是指电阻值会随着温度的变化而变化的一种电子元器件。
原理:让一定电流通过电阻元件,并使用采集仪测量电阻元件两端的电压,然后按照欧姆定律 E=IR 计算出电阻值,从而推导出温度大小。

一、热电阻根据电阻元件可分为以下四类

每类热电阻特点如下:
1、【铂热电阻】
由于其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。
铂热电阻大致可分为以下 3 大类。

Pt100 使用得非常广泛。
由于 Pt10 在 IEC 标准中有所规定,因此已将其添加到 JIS 标准中,但几乎没有实际应用。
JPt100 是 1989 年以前 JIS 标准中的旧 Pt100。
1989 年对 JIS 标准进行修订时,根据 IEC 标准制定了新 Pt100(现在的 Pt100),同时旧 Pt100 更名为 JPt100 并保留(防止市场混乱),但于1997 年修订 JIS 时废除。

2、【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°C 左右。
3、【镍热电阻】
每 1°C 的电阻值变化较大,价格低廉。
但是,它在 +300°C 左右存在临界点,因而其使用上限温度较低。
4、【铂钴热电阻】
它是一种将铂钴低合金用于电阻元件的传感器,用来测量极低温度。


二、热电阻根据连线方式可分为以下三类
1、2线式
一种在电阻元件两端各连接 1 根导线的连线方式。价格低廉,但由于是将导线电阻值原封不动地作为电阻值进行加法运算,需要预先查明导线电阻值进行补正。因此,这种连线方式不实用。


2、3线式
常见的连线方式。它是一种在电阻元件其中一端连接 2 根导线,在另一端连接 1 根导线的连线方式。其特点在于,当 3 根导线的长度、材质、线径以及电阻均相同时,可以不受导线电阻的影响。


3、4线式
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不受导线电阻的影响。


问:为何 3 线式热电阻不受导线电阻的影响?

答:如下图所示,3 线式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 A → B → C。(由于 B 和 D 为同电位,因此不会流向 R2)连线到 3 线式热电阻的记录仪此时会测量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,如果将流经各电阻的电压设为
R :V
R1、R3 :V1 时,
则(BC 间电压)-(AB 间电压)
=(V + V1)-(V1)
=V,
所以三线式热电阻可以不受导线电阻的影响。


三、根据结构选择可以分为两类
1、普通型(附保护管)热电阻
将内部导线连接到电阻元件并放入保护管,安装端子后进行使用,这是热电阻基本的结构。
其优点是可以选择抗震性和耐腐蚀性较高的保护管,此外价格低廉,使用方便。但是和下述的铠装热电阻相比较,也具有体积较大,响应速度慢的缺点。

2、铠装热电阻
其结构是在金属细管(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,铠装不存在空气层,响应迅速是其突出优点。此外,它的优点还在于可以自由弯曲形状,缩细外径。



PS:使用注意事项
1、注意内部导线导致的误差
热电阻通过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。不论是 3 导线式还是 4导线式,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。
2、注意插入深度导致的误差
如果热电阻的测温部位未设定成与测温对象同等的温度,则无法取得正确温度。
无论是附保护管的热电阻,还是铠装热电阻,插入深度请控制在约为外径的 15 到
3、注意自我加热导致的误差
使用热电阻测量温度时,会在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热电阻自身加热。
我们将其称为“自我加热”。自我加热与规定电流值的平方成正比(同时也依赖于热电阻的结构和环境),比例较大则会导致精度上的误差。
JIS 标准将1mA、2mA作为规定电流,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值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,有可能产生下列问题。
(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。


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