热工测量仪表-热能与动力工程实验教学示范中心

热工测量仪表——电阻温度计一、金属测温电阻工业上广泛应用：－200～＋500摄氏度特殊情况：低温可到平衡氢三相点温度（13.8033K）甚至可更低：铟电阻温度计3.4K碳电阻温度计1K高温可到1000摄氏度电阻温度计的特点：1、准确度高2、灵敏度高在中低温（500摄氏度）下，输出信号比热电偶大得多3、输出是电信号，便于信号远传和实现多点切换一、金属测温电阻（续1）测温原理：导体和半导体的电阻值会随温度变化而变化，因而测量它们电阻值的变化就可达到测温的目的。实验表明：大多数金属当温度升高1摄氏度时，电阻值要增加0.4%~0.6%，半导体的阻值要减小3%~6%。电阻温度计的构成：热电阻、显示仪表和连接导线。热电阻的构成：电阻体、绝缘管和保护套管。一、金属测温电阻（续2）1.1金属测温电阻1对金属测温电阻的要求A电阻温度系数要大电阻温度系数：温度变化1摄氏度时电阻值的相对变化量材料的纯度越高，温度系数越大，故纯金属的温度系数比合金高内应力会引起温度系数变化，故退火和老化处理减少内应力B在测温范围内物理及化学性质稳定C有较大的电阻率（有利于减少体积，从而减小热容量和热惯性，有利于快速响应温度的变化）D电阻值与温度的关系近似线性，便于分度和读数E复现性好、复制性强、容易得到纯净的物质F价格便宜1.2标准化热电阻A铂电阻稳定性好、准确度高、性能可靠、适用氧化性和高温氛围，不适用还原性气氛ITS90规定在13.8033K到961.78摄氏度温域内以铂电阻温度计作为标准仪器。铂电阻的温度特性：－200到0摄氏度:Rt=R0[1+At+Bt²+Ct³(t-100)]0到850摄氏度：Rt=R0(1+At+Bt²)1.2标准化热电阻(续1)B铜电阻特点：电阻值与温度的关系几乎是线性的、电阻温度系数较大、材料易提纯、价格相对便宜适用范围：准确度要求不高、温度较低没有腐蚀的场合，测量范围：－50到＋150摄氏度缺点：250摄氏度以上易氧化，电阻率较小，做成一定阻值的电阻体积就较大温度特性：通用：Rt=R0(1+At+Bt²+Ct³)0到100摄氏度：Rt=R0(1+at)1.2标准化热电阻(续2)C镍电阻优点：温度系数较大，因此灵敏度比铂和铜高缺点：当温度高于200摄氏度温度系数有特异点制造工艺复杂，很难获得温度系数相同的镍丝，故准确度比铂低，制定标准困难测量范围：－60到+180摄氏度温度特性：Rt=100+At+Bt²+C4t4t1.2标准化热电阻(续3)D其它低温用热电阻难点：金属一旦处于低温，其电阻将要变得很小，有些热电阻的灵敏度也降至很低。d1铑铁热电阻：30K以下温度系数很大，可用于30K以下测深低温d2铂钴热电阻，在低温下灵敏度也较大，可测低温和深低温工业用热电阻的技术性能热电阻名称代号分度号/测温范围基本误差公称值允许误差名义值允许误差温度范围允许值()铜热电阻WZCCu50501.428-50~150-50~150=（0.3+610t)Cu100100铂热电阻WZP(IEC)Pt1010(0~850）A级0.006B级0.0121.385-200~850(A)-200~850(B)=(0.15+210t)=（0.3+510t)Pt100100（-200~850）A级0.006B级0.012镍热电阻WZNNi100Ni300Ni5001003005001.617-60~180-60～00～180=(0.2+210-2t)=(0.2+110-2t)0R0R100R0C0C0.050.10.10.30.50.0020.003t3tttt330.001表4-11.3工业用热电阻的结构A绝缘骨架绝缘骨架是用以缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架。它的质量影响热电阻的技术性能。对骨架材料有以下要求:（1）在使用的温度范围内,电绝缘性能要好,比热容要小,热导率要大;（2）温度膨胀系数要接近电阻丝的温度膨胀系数；（3）物理及化学性质稳定,不产生有害物质污染电阻丝；（4）有足够的机械强度及良好的工艺性能。目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷以及塑料。B热电阻体（1）云母骨架热电阻（2）玻璃骨架热电阻（3）陶瓷骨架热电阻（4）塑料骨架热电阻1.3工业用热电阻的结构（续1）1.3工业用热电阻的结构（续2）C引出线由热电阻体至接线端子的连接导线称为引出线。内引线要选用纯度高,与电阻丝、接线端子之间产生的热电势极小,而且在最高使用温度下不挥发、抗氧化、不变质的材料。工业用铂电阻用银丝作引出线,高温下则用镍丝作引出线。铜和镍电阻可用铜丝和镍丝作引出线。引出线的直径比电阻丝的直径大的多,这样可以减小引出线电阻。国产热电阻的引出线有两线制、三线制和四线制。(1)两线制:在热电阻体的电阻丝两端各连接一根导线（见图4-1，a）的引线方式为两线制。这种热电阻测温时都存在引出线电阻变化产生的附加误差。(2)三线制：在热电阻体的电阻丝的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出线（见图4-1,b）此种引出线方式称为三线制。测温时它可以消除引出线电阻的影响，故测温准确度高于两线制热电阻。(3)四线制：在热电阻体的电阻丝两端各连接两根引出线，称为四线制（见图4-1，c）。在测温时，它不仅可以消除引出线电阻的影响，还可以消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响，四线制多用在标准铂热电阻的引出线上。1.3工业用热电阻的结构（续3）1.3工业用热电阻的结构（续4）1.3工业用热电阻的结构（续5）D铠装热电阻将热电阻体（感温元件）焊到由金属保护套管、绝缘材料和金属导线三者经拉伸而成的细管导线上形成的，然后在外面再焊一段短管做保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头，其结构如右图4－2所示。图4-2铠装热电阻1—金属套管；2—感温元件；3—绝缘材料；4—引出线1.3工业用热电阻的结构（续6）铠装热电阻的优点为：（1）外径尺寸很小，最小可达1mm,因此其热惯性小，响应速度快。（2）机械性能好，可耐强烈的震动和冲击。（3）除感温元件外，其他部分可任意弯曲，适合在复杂结构中安装。（4）由于感温元件与金属套管、绝缘材料形成一密封实体，不易受到有害物质的侵蚀，因此寿命比普通热电阻长。铠装热电阻的外径一般为2～8mm，最小可做到1mm,保护套管用不锈钢制成，绝缘材料为氧化镁粉。它的温度测量范围、基本误差、等和普通热电阻的要求一样。他的时间常数、引出线直径及引出线电阻值见表4-3。1.3工业用热电阻的结构（续7）表4－3铠装热电阻的时间常数、引出线直径和电阻值外径（mm）时间常数（s）金属管套壁厚（mm）引出线直径（mm）引出线电阻（欧姆）320.450.40.7542.50.600.40.75530.750.40.75650.900.50.508101.000.50.501.3工业用热电阻的结构（续8）E膜式铂电阻为了提高铂电阻的抗震性和响应速度，研制出模式铂电阻。厚膜铂电阻：在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形成的。测温响应时间很小，为0.1秒。薄膜铂电阻：利用真空镀膜的方法将铂镀在陶瓷基片上形成的，形状和厚膜的差不多，但尺寸更小，响应时间更短。1.3工业用热电阻的结构（续9）F带热电阻、热电偶的一体化温度变送器和上述标准热电阻或热电偶的不同之处，在于采用一个专用集成电路把热电阻或热电偶的输入信号（电阻或电势）转变成4～20mA的标准输出信号，其中与热电偶相配用的集成电路还有冷端温度补偿性能。有的专用集成电路还具有线性化功能，即将标准热电阻的电阻与温度之间的非线性关系转变成变送器输出电流（4～20mA）与被测温度之间的线性关系，或使热电偶所感受的温度与变送器输出电流（4～20mA）之间呈线性关系。专用集成电路的体积很小，因而可装在热电阻或热电偶得接线盒内。这种集成电路的供电电压一般为直流24V，多采用二线制，即供电线也就是输出信号线。一体化热电阻（热电偶）可省略过去常采用的温度变送器。还有一种热电阻（热电偶）一体化温度变送器，其接线盒的体积增大，可装入一只动圈表头，直接显示所测温度值，也可以装上用液晶显示的表头，用数字显示所测温度值。装有显示仪表的一体化温度变送器可以就地显示温度值。这种一体化温度变送器可应于具大量温度测点的集控系统。二、半导体热敏电阻1半导体热敏电阻的材料和温度特性用半导体热敏电阻作为感温元件来测量温度日趋广泛。半导体热敏电阻通常是用铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等一些金属的氧化物、氯化物、碳酸盐做原料制成的。制造热敏电阻的材料不同，它的温度特性也不同。当采用、、、等化合物制造半导体热敏电阻时，得到的是有负电阻温度系数的特性；当采用、等化合物制造时，得到的是有正温度系数的特性；另外还有些热敏电阻，当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少。热敏电阻的温度特性见图4-3。通常使用最多的是具有负稳固系数的热敏电阻，其电阻与温度的关系可以近似地用下面的经验公式来表示：式中T——热力学温度（K）用实验的方法分别测得在T和T。时的电阻和，代入式（4-11）可计算出B的数值，通常B在1500～5000K范围内。由于B值随成分、工艺等因素影响，变化很大，故这种热敏电阻必须个别分度。TR0TRBTTRAe2MnO34MnNOCuO32CuNO2NiO2ZrO0011TTBTTeRR二、半导体热敏电阻（续1）图4-3热敏电阻的温度特性NTC—负温度系数热敏电阻；PTC—正温度系数热敏电阻；CTR—临界温度热敏电阻二、半导体热敏电阻（续2）2半导体热敏电阻的结构及应用结构：珠形（工业测量）、圆片形、棒形图4-4热敏电阻感温元件的结构(a)珠形热敏电阻；(b)涂敷玻璃的热敏电阻;(c)带玻璃保护套管的热敏电阻1─金属氧化物烧结体；2—铂丝；3—玻璃；4─杜美丝（代替铂丝）；5─玻璃管二、半导体热敏电阻（续3）半导体热敏电阻的测温范围：－100到＋300摄氏度，与金属热电阻比优点是：1电阻温度系数大，约为－（3～6）％，灵敏度高2电阻率很大，可做体积小电阻大的电阻体，这样连接导线电阻的变化影响可忽略3结构简单，体积小，可以用来测量点的温度4热惯性很小，响应快缺点：1同一型号热敏电阻的电阻温度特性分散性大，互换性差2电阻和温度的关系不稳定，随时间变化三、热电阻的校验热电阻在投入使用之前要进行校验，在投入使用后也要定期校验，以便检查和确定热电阻的准确度。定点法：工作基准或标准热电阻采用，即在几种物质的相平衡点温度下进行校验，国家有统一的规程。比较法：工业上常用。校验常用设备包括：标准玻璃温度计一套（或标准铂电阻温度计）；加热恒温器一套（－50～＋500摄氏度）；标准电阻（10或100欧姆）一只；电位差计一台；分压器和切换开关各一个。三、热电阻的校验（续1）校验时按以下步骤进行：1）按图4-5接线，并检查是否正确。2）将电阻体放在恒温器内，使之达到校验点温度并保持恒温，然后调节分压器使毫安表指示约为4mA（电流不可过大，以免热电阻发热过大影响测量的准确性），将切换开关切向标准电阻RN的一边，读出电位差计示值UN;然后立即将切换开关切向接标准电阻的一边，读出电位差计示值。按公式求出Rt.在同一校验点需反复测量几次，计算出几次测量的Rt值（指同一校验点），取其平均值与分度表比较，看其误差是否大于允许误差。如误差在允许误差范围内，则认为该校验点的Rt值合格。3）再取被测温度范围内10％、50％、90％的温度作校验点重复以上校验，如均合格，则此热电阻校验完毕。tUttNNURRU三、热电阻的校验（续2）1000RR图4-5校验热电阻的接线1——加热恒温器；2——被校验电阻体；3——标准温度计；4——毫安表；5——标准电阻；6——分压器；7——双刀双掷切换开关；8——电位差计热电阻的校验除上述方法外，还有一种只校验R0与的方法，如该两个参数的误差不超出允许的