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1、热电阻接入电路两线制和三线制接线法的分析1.10 热电阻接入电路两线制和三线制接线法的分析 热电阻接入电路 两线制 三线制 接线法 1 分析两线制由于引线电阻的误差 图1-12中，r为引线的电阻，Rt为Pt电阻，其中由欧姆定律可得： 当Rr=Rt时，V0=-I22r 。 从V0的表达式可以看出，引线电阻的影响十分明显，两线制接线法的误差很大。 2 分析三线制如何消除引线电阻的误差 三线制接线法由图1-13所示，由欧姆定律可得： 当Rr=Rt时，电桥平衡，I1=I2，V0=0。 可见三线制接线法可很好的消除引线电阻，提高热电阻的精度。 工业用热电阻温度计的使用注意事项 热电阻温度计是利用导体或半
2、导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的，在工业生产中广泛用来测量(-100500)范围的温度，其主要特点是测温准确度高，便于自动测量。由于热电偶在低温范围中产生的热电势小，因而对测量仪表要求严格，而采用热电阻温度计测量低温是很适宜的。 热电阻温度计按结构形式可分为普通工业型、铠装型及特殊型等。 常用的普通工业型热电阻主要有: 1.铂热电阻:广泛用来测量(-200850)范围内的温度。在少数情况下，低温可测至1K，高温可测至1000。其物理、化学性能稳定，复现性好，但价格昂贵。铂热电阻与温度是近似线性关系。其分度号主要有Pt10和Pt100。 2.铜热电阻:广泛用来测量(-50150)范围内的
3、温度。其优点是高纯铜丝容易获得，价格便宜，互换性好，但易于氧化。铜热电阻与温度呈线性关系。其分度号主要有Cu50和Cu100。 铠装热电阻是在铠装热电偶的基础上发展来的，由热电阻、绝缘材料和金属套管三者组合加工而成，其特点是外形尺寸可以做得很小(最小直径可达20毫米)，因而反应速度快，有良好的机械性能，耐振耐冲击，具有良好的挠性，且不易受有害介质的侵蚀。 使用热电阻前必须检查它的好环，简易的检查方法是将热电阻从保护管中抽出，用万用表测量其电阻。若万用表读数为“0或者万用表读数小于R0值，则该热电阻已短路，必须找出短路处进行修复；若万用表读数为“，则该热电阻已断路，不能使用；若万用表读数比R0的
4、阻值偏高一些，说明该热电阻是正常的。 热电阻的阻值不正确时，应从下部端点交叉处增减电阻丝，而不应从其它处调整。完全调好后应将电阻丝排列整齐，不能碰接，仍按原样包扎好。 经修复的热电阻，必须经过检定合格后方可使用。 热电阻安装时，其插入深度不小于热电阻保护管外径的8倍10倍，尽可能使热电阻受热部分增长。热电阻尽可能垂直安装，以防在高温下弯曲变形。热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差，应尽量使保护套管表面和被测介质温度接近，减小热电阻保护套管的黑色系数。 当用与热电阻相配的二次仪表测量温度时，热电阻安置在被测温度的现场，而二次仪表则放置在操作室内。如果用不平衡电桥来测量，那么连接热电阻
5、的导线都分布在桥路的一个臂上。由于热电阻与仪表之间一般都有一段较长的距离，因此两根连接导线的电阻随温度的变化，将同热电阻阻值的变化一起加在不平衡电桥的一个臂上，使测量产生较大的误差。为减小这一误差，一般在测温热电阻与仪表连接时，采用三线制接法(图1)，即从热电阻引出三根导线，将连接热电阻的两根导线正好分别处于相邻的两个桥臂内(图2)。当环境温度变化而使导线电阻值改变时，其产生的作用正好互相抵消，使桥路输出的不平衡电压不会因之而改变。另一导线电阻R1的变动，仅对供桥电压有极微小的影响，但在准确度范围内。其示意图如下所示: 图1 热电阻的三线制 图2 热电阻的三线制接法 第四节 热阻式测温方法 本
6、节概述 热阻式测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。 用于制造热电阻的材料，电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。另外，材料的物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。 热电阻测温的优点是信号灵敏度高，易于连续测量，可以远传，无需参比温度；金属热电阻稳定性高，互换性好，精度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励，有自热现象，测量温度不能太高。 常用热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。 一、铂电阻测温 1概述 铂电阻的电阻率较大，电阻一温度关系呈非线性，但测温
7、范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。国际ITS-90规定，在-2593596178温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。 铂的纯度用百度电阻比W100表示。它是铂电阻在100时电阻值R100与0时电阻值R0之比，即W100 R100R0。W100越大，其纯度越高。目前技术已达到W10013930，其相应的铂纯度为999995。国际ITS-90规定，作为标准仪器的铂电阻的W100应大于l3925。一般工业用铂电阻的W100应大于13850。 目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用；而Pt10是用较粗的铂
8、丝制作的，主要用于600以上的测温。铂电阻测温范围通常最大为-200850。在550以上高温 只适合在氧化气氛中使用。铂电阻与温度的关系为 当-200t0时 当0t850时 式中，0为温度为零时铂热电阻的电阻值； R为温度为t时铂热电阻的电阻值； A、B、C为系数，A3908 0210-3-1；B5801910-7-2；C42735010-12-4。 据公式制成的工业铂热电阻分度表见附录1的附表1-1和附表1-2。 2热电阻的结构 工业热电阻的基本结构如图6-3所示。 图6-3 工业热电阻的基本结构 1-电阻丝；2-保护管；3-安装固定件；4-接线盒 热电阻主要由感温元件、内引线、保护管三部分
9、组成。通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。它的外形与热电偶相似，使用时要注意避免用错。 热电阻感温元件是用来感受温度变化的电阻器，它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝的材料应具备如下条件： 电阻温度系数大，线性好，性能稳定； 使用温度范围广，加工方便； 固有电阻大，互换性好，复制性强。 能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂丝。我国纯铂丝品种及应用范围如表64所示。 表6-4 纯铂丝品种及应用 绝缘骨架是用来缠绕、支承或固定热电阻丝的支架。它的质量将直接影响电阻的性能。因此，作为骨架材料应满足如下要求： 在使用温度范围内，电绝缘性能好； 热膨胀系数要与热电阻相
10、近； 物理及化学性能稳定，不产生有害物质污染热电阻丝； 足够的机械强度及良好的加工性能； 比热容小，热导率大。 目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。用不同骨架可制成多种热电阻感温元件。采用云母骨架的感温元件特点是：抗机械振动性能强，响应快。很久以来多用云母做骨架。但是，由于云母是天然物质，其质量不稳定，即使是优质云母，在600以上也要放出结晶水并产生变形。所以，采用云母骨架的感温元件使用温度宜在500以下。 因其电阻丝并非完全固定，故受热后引起电阻变化小，电阻性能比较稳定，但体积较大，不适宜在狭小场所进行测量，并且响应时间较长。 采用玻璃骨架的感温元件特点是：体积小，响应快，抗振性强
11、。因铂丝已固定在玻璃骨架上，故在使用中不产生变形，因此，必须选取与电阻丝具有相同膨胀系数的玻璃作骨架，否则，当温度变化时引起膨胀或收缩，就会改变热电阻的性能。其结构如图63所示。感温元件较通用的尺寸是外径为14mm，长度为1040mm。这种玻璃骨架的软化点约为450，最高安全使用温度为400，而且，低温到4K仍然可用。 采用陶瓷骨架的感温元件特点是：体积小，响应快，绝缘性能好。使用温度上限可达960。陶瓷骨架的缺点是机械强度差，不易加工。 3热电阻的引线形式 内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。内引线通常位于保护管内。因保护管内温度梯度大，作为内
12、引线要选用纯度高且不产生热电动势的材料。对于工业铂热电阻而言，中低温用银丝作引线，高温用镍丝。这样，既可降低成本，又能提高感温元件的引线强度。对于铜和镍热电阻的内引线，一般都用铜、镍丝。为了减少引线电阻的影响，内引线直径通常比热电阻丝的直径大很多。 热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图6-4所示。 两线制 如图6-4所示，在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制热电阻。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。因此，不适用于高精度测温场合使用。并且在使用时引线及导线都不宜过长。采用两线制的测温电桥如图6-5所示，为接线示意图，为等效原理图。从图中
13、可以看出热电阻两引线电阻RW和热电阻RW一起构成电桥测量臂，这样引线电阻RW因沿线环境温度改变引起的阻值变化量2RW和因被测温度变化引起热电阻Rt的增量值Rt一起成为有效信号被转换成测量信号，从而影响温度测量精度。 图6-4 感温无件的引线形式 -接线端子；-感温元件；、-接线端子的标号 示意图 等效原理图 图6-5 两线制热电阻测量电桥 三线制 如图6-4所示，在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制热电阻。用它构成如图6-6所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。而且，在测温范围窄或导线长，导线途中温
14、度易发生变化的场合必须考虑采用三线制热电阻。 四线制 如图6-4所示，在热电阻感温元件的两端各连两根引线，此种引线形式称为四线制热电阻。在高精度测量时，要采用如图6-7所示四线制测温电桥。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，可消除该电阻的影响，还可以通过CPU定时控制继电器的一对触点C和D的通断，改变测量热电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。 示意图 图6-6 等效原理图 三线制热电阻测量电桥 示意图 等效原理图 图6-7 四线制热电阻测量电桥 另外，为保护感温元件、内引线免受环境的有害影响，热电阻外面往往装有可拆卸式或不可拆卸式的保护管。保护管的材
15、质有金属、非金属等多种材料，可根据具体使用特点选用合适的保护管。 二、铜电阻和热敏电阻测温 铜电阻 铜电阻的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低而体积较大，热响应慢；另因铜在250以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻一般工作温度范围为40120。其电阻值与温度的关系为 当50t150时，RR0 式中，R0为温度为零时铜热电阻的电阻值；R 为温度为t时铜热电阻的电阻值；A，B，C为系数。A4.2889910-3-1；B2.13310-7-2；C1.23310-9-3。 根据公式制成的工业用铜热电阻分度表见附表1-3和附表1-4。 半导体热敏电阻 目前世界各
16、国，特别是工业化国家，在低温段-50350且测温要求不高的场合，采用半导体热敏元件作温度传感器。大量用于各种温度测量、温度补偿及要求不高的温度控制。 热敏电阻的优点 热敏电阻和热电阻、热电偶及其他接触式感温元件相比具有下列优点： 灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级；由于灵敏度高，可大大降低后面调理电路的要求； 标称电阻有几欧到十几兆欧之间的不同型号和规格，因而不仅能很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响； 体积小，可用来测量“点温”； 热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合； 结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动，采用玻璃、陶瓷等材料密封包装后，可应
17、用于有腐蚀性气氛的恶劣环境； 资源丰富，制作简单，可方便地制成各种形状，易于大批量生产，成本和价格十分低廉。 图6-8 热敏电阻的结构形式 热敏电阻的主要缺点： 阻值与温度的关系为非线性； 元件的一致性差，互换性差； 元件易老化，稳定性较差； 除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0.150范围的温度测量，使用时必须注意。 目前热电阻的引线主要有三种方式 1二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 2三线制：在热电阻的根部的一端连接
18、一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。 3四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。 热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
