热电阻温度传感器简述

1.热电阻温度传感器的工作原理

热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。人们也常常把这种导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的现象称为热阻效应。热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热电阻温度传感器两大类,通常把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻。

(1)铂电阻的物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定,并具有良好的工艺性能,易于提纯,可以做成非常细的铂丝或极薄的铂箔,但它的缺点就是电阻温度系数较小,同时价格较昂贵。铂电阻中的铂丝纯度用电阻比W100来表示,它是铂电阻在100℃时的阻值R100与0℃时的阻值R0之比。按IEC标准,工业测温应该用铂电阻。铂电阻除用作一般的工业测温外,在国际温标IPTS-68中还被用来作为在-259.34℃～630.74℃温度范围内的温度基准器。

铂的电阻与温度的关系可以用式(3.23)和式(3.24)表示。

在-200℃～0℃范围内:

在0℃～800℃范围内:

其中,R0、Rt分别是0℃和t℃时铂的电阻值;A、B、C 分别是由实验确定的温度系数,A=3.908 3×10-3/℃,B=-5.775×10-7/℃2,C=-4.183×10-12/℃4。

(2)由于铂是贵重金属,故在一些对测量精度要求不高和测温范围不大的情况下,可以采用铜电阻来代替铂电阻,从而降低成本,同时也能达到精度要求。在-50℃～150℃温度范围内,铜电阻阻值与温度的关系几乎是线性的,可用式(3.25)近似表示:

其中,R0、Rt分别是0℃和t℃时铜的电阻值;A、B、C 分别是由实验确定的温度系数,A=4.288 9×10-3/℃-1,B=-2.133×10-7/℃-1,C=-1.233×10-9/℃-1。

铜电阻的缺点是电阻率较低,电阻体积较大,热惯性也大,而且易于氧化,不适合在腐蚀性介质中或高温下工作。目前工业上使用的标准铜电阻有分度号Cu50(R0=50Ω)和Cu100(R0=100Ω)两种。

(3)热敏电阻工作的原理与金属热电阻的工作原理是一样的,都是利用测量电阻随温度变化的特性来测量温度的,不同的是热敏电阻采用的是半导体材料,所以热敏电阻在工作中表现出体积小、灵敏度高、功耗低、价格便宜等优点,但也会存在热敏电阻的阻值随温度表现出非线性变化的不足。

根据热敏电阻材料的不同,或者热敏电阻中金属氧化物所占比例的不同,热敏电阻的阻值随温度表现出不同的变化特点。如图3.17所示,按照热敏电阻的阻值随温度的变化可以将热敏电阻分为正温度系数(Positive Temperature Coefficient,PEC)热敏电阻、负温度系数(Negative Temperature Coefficient,NTC)热敏电阻和临界温度系数(Critical Temperature Resistor,CTR)热敏电阻三种类型。

图3.17　热敏电阻的温度特性曲线(www.xing528.com)

2.热电阻温度传感器的结构

普通型热电阻温度传感器由感温元件(金属电阻丝)、支架、引出线、保护套管及接线盒等基本部分组成。为避免电感分量,热电阻丝常采用双线并绕,制成无感电阻。

(1)感温元件(金属电阻丝)

铂的电阻率较大,而且相对机械强度较大,通常铂丝的直径在0.03～0.07 mm之间。可单层绕制,若铂丝太细,电阻体可做小些,但强度低;若铂丝粗,虽强度大,但电阻体积大,热惰性也大,成本高。由于铜的机械强度较低,所以电阻丝的直径需较大。感温元件(金属电阻丝)的制作方法:一般将(0.1±0.005)mm的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上,并涂上绝缘漆。由于铜电阻的温度低,故可以重叠多层绕制,一般多用双绕法,即两根丝平行绕制,在末端把两个头焊接起来,这样工作电流从一根热电阻丝进入,从另一根热电阻丝反向出来,形成两个电流方向相反的线圈,其磁场方向相反,产生的电感互相抵消,故双绕法又称无感绕法。这种双绕法有利于引线的引出。

(2)骨架

热电阻是绕制在骨架上的,骨架是用来支持和固定电阻丝的。骨架应使用电绝缘性能好,高温下机械强度高,体膨胀系数小,物理化学性能稳定,对热电阻丝无污染的材料制造,常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。

(3)引线

引线的直径应当比热电阻丝大几倍,尽量减少引线的电阻,增加引线的机械强度和连接的可靠性,对于工业用的铂电阻,一般采用1 mm 的银丝作为引线。对于标准的铂电阻,可采用0.5 mm 的铂丝作为引线。对于铜电阻,常用0.5 mm 的铜线作为引线。在骨架上绕制好热电阻丝,焊好引线之后,在其外面加上云母片进行保护,再将其装入外保护套管,并和接线盒或外部导线相连接,即得到热电阻温度传感器。如图3.18所示是热电阻温度传感器的外形,1是保护套管,2是测温元件,3是紧固螺栓,4是接线盒,5是引出线密封套管。

图3.18　热电阻温度传感器的外形

3.热电阻温度传感器的测量电路和主要参数

用热电阻温度传感器进行测温时,测量电路一般采用电桥电路。由于热电阻与测量仪表相隔距离一般较远,因此热电阻的引线对测量结果有很大的影响。热电阻温度传感器测温电桥的引线方式通常有两线制、三线制和四线制三种,如图3.19所示。

图3.19　热电阻温度传感器测量电路内部的引线方式

两线制中引线电阻对测量结果影响较大,一般用于对测温精度要求不高的场合;三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差;四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,常用于高精度温度检测。

热电阻温度传感器的主要参数有0℃时的电阻值、测量精度、测温范围、热响应时间、工作电流、温度系数及热电阻的大小等。