熱電阻[自動化科技]

熱電阻[自動化科技]

熱電阻是中低溫區最常用的一種測溫元件,他的基本測溫原理是基於金屬導體的電阻值隨溫度變化而變化,兩者存在一定的函式關係。通過測量電阻值來間接計算出溫度值。

熱電阻包括鉑電阻、銅電阻、鎳電阻、熱敏電阻等類別。其中最廣泛使用的是鉑電阻,而鉑電阻其中最廣泛使用的是PT100。因為鉑電阻的測溫金屬是鉑,不論在精度還是穩定性上都要優於其他其他材質的熱電阻。

基本信息

鉑電阻分類及優缺點

三種鉑電阻外觀和內部結構三種鉑電阻外觀和內部結構

鉑電阻主要分為:標準鉑電阻溫度計和工業鉑電阻。

工業鉑電阻按阻值劃分可分為:PT5、PT10、PT20、PT50、PT100、PT300、PT500、PT1000等。這些型號是根據鉑電阻在0℃時的阻值大小劃分的,比如PT100在0℃時的標稱阻值為100Ω,PT1000在0℃時的標稱阻值為1000Ω,以此類推。

鉑電阻在生產過程中是存在製造誤差的,根據誤差大小將鉑電阻分類不同等級,由低到高分為:C、B、1/2B、1/3B、1/5B和1/10B。

實際使用的鉑電阻的溫度範圍與教科書中(-200~850℃)描述的有所不同,受陶瓷骨架材料限制,實際可穩定使用的範圍是-200~500℃,個別進口薄膜元件號稱能達到600℃或800℃也只是短時間達到,長時間不穩定也容易壞。

標準鉑電阻溫度計主要由石英管和灘簧狀鉑絲組成。根據其穩定性分為一等標準鉑電阻和二等標準鉑電阻。主要用於計量院等計量單位作為標準溫度傳遞用。價格昂貴,易碎,使用需謹慎。因為鉑金絲在石英管內部是彈簧狀懸空狀態,因此標準鉑電阻害怕振動,振動會導致鉑金絲變形,進而參數發生變化。

工業鉑電阻目前市面上主要有三大類:整體燒結外繞式陶瓷鉑電阻、薄膜鉑電阻和內繞式鉑電阻。

三種元件性能對比表(使用壽命根據實際使用情況會多少有所不同)三種元件性能對比表(使用壽命根據實際使用情況會多少有所不同)

薄膜鉑電阻是在三氧化二鋁(Al2O3)基片上濺射鍍膜一層鉑金膜,通過光刻形成線條,再由引線焊接引出。Al2O3的膨脹係數是(6.8~8)×10-6,鉑的膨脹係數是10.2×10-6,兩者膨脹係數差異很大,這就會導致在溫度上升時,鉑膨脹的“更快”,因此有很大幾率從陶瓷基片上脫落,輕則數據變化,重則損壞,溫度越偏離室溫,損壞速度越快。但是因為其可以批量自動化生產,用料少成本低,所以價格低廉。而且體積小(2*2mm左右),抗振。其使用壽命根據具體使用情況,一般溫度在-50~200℃之內使用較為可靠,且不同廠家(大部分是進口)的質量也不一樣。且薄膜元件因為體積小,散熱面積有限,因此自熱比較大,檢測電流通常要保證在200uA以下才能保證準確測量。

內繞式鉑電阻是在陶瓷管內嵌入彈簧狀鉑金絲,再填入氧化鎂粉固定。這種結構看似牢固,但是同薄膜鉑電阻一樣,氧化鎂粉和鉑金絲膨脹係數差異大,溫度往復升降時,從微觀角度看,鉑金絲在氧化鎂分中來回伸縮,兩者之間產生摩擦,時間長了鉑金絲越磨越細,阻值越來越大,最後斷開。溫度越高,這種摩擦效應越大,壽命越短。其彈簧狀結構也決定了這種原件抗振動能力較差。溫度保證在-50~300℃以內且無振動場合,內繞式鉑電阻穩定性還不錯。這種鉑電阻用料和製作工藝成本要比薄膜鉑電阻高一些。

整體燒結外繞線式陶瓷鉑電阻是在陶瓷骨架上均勻雙線並繞上鉑金絲,並在最外側塗一層陶瓷釉,最後整體經過高溫燒結,形成一個整體“陶瓷疙瘩”,值得注意的是所用的陶瓷骨架和陶瓷釉不是普通的Al2O3,而是多種複雜成分調製而成的陶瓷材料,這種陶瓷的膨脹係數和鉑金絲非常相近,因此這種鉑電阻在-200~500℃內,重複性穩定性都非常好(-50~200℃年穩定性<0.01℃),且因為它是一個整體,抗振性能非常強(>50g重力加速度)。這種鉑電阻製作工藝較為複雜,且用料較多,製造成本要比前兩者高。但是從壽命和使用收益或者適用場合要求苛刻的角度來看,具有前兩者無法取代的優勢。

鉑電阻阻值-溫度轉換公式如下:

鉑電阻鉑電阻

對於-200~0℃的溫度範圍:

R(t)=R(0)×[1+At+Bt²+C(t-100℃)t³]

對於0~850℃的溫度範圍:

R(t)=R(0℃)×(1+At+Bt²)

以上兩式中:

R(t)——————在溫度為t時鉑熱電阻的電阻值,Ω;

t—————— 溫度,℃;

R(0) ————— 在溫度為0℃時鉑熱電阻的電阻值,Ω;

A—————— 常數,其值為3.9083×10^(-3),℃^(-1);

B—————— 常數,其值為-5.775×10^(-7),℃^(-2)

C—————— 常數,其值為-4.183×10^(-12),℃^(-4)

銅電阻

銅電阻是在鉑電阻普及之前較為廣泛使用,因為材料成本低,目前目前仍有較少場合使用。且銅的電阻率較大,測溫的解析度較大,頗受部分使用者喜愛。

銅電阻主要是由銅漆包線繞制而成。銅本身易被氧化,因此銅電阻使用溫度範圍不能太高,通常不超過100℃,且不抗震。靜態低溫場合使用較為理想。

鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻

銅電阻阻值-溫度轉換公式如下:

R(t)=R(0)×[1+At+Bt+Bt²+Ct³](-50~150℃)

其中R(0)在溫度為0℃時銅熱電阻的電阻值,Ω;

A常數,其值為4.28899×10^(-3);

B常數,其值為-2.133×10^(-7);

C常數,其值為1.233×10^(-9)。

鎳電阻

鎳電阻目前使用較少,國外有些廠家一直在使用。因為其電阻率較大,解析度高,價格比鉑電阻較低一些。目前已出現晶片級鎳電阻,可用於電路板測溫,封裝較小(SOT23-3),但是使用溫度範圍有限(-40~125℃)。但價格比薄膜鉑電阻略高一些。

熱敏電阻

用於測溫的熱敏電阻按照溫度係數不同分為正溫度係數熱敏電阻器(PTC)和負溫度係數熱敏電阻器(NTC)。正溫度係數熱敏電阻器(PTC)在溫度越高時電阻值越大,負溫度係數熱敏電阻器(NTC)在溫度越高時電阻值越低,它們同屬於半導體器件。

優點:

使用方便,電阻值可在0.1~100kΩ間任意選擇,易加工成複雜的形狀,可大批量生產;

缺點:

阻值與溫度的關係非線性嚴重;

元件的一致性差,互換性差;

元件易老化,穩定性較差;

除特殊高溫熱敏電阻外,絕大多數熱敏電阻僅適合0~150℃範圍,使用時必須注意。

熱敏電阻溫度阻值轉換公式如下:

PTC計算公式:

RT=RT0expBp(T-T0)

式中RT、RT0表示溫度為T、T0時電阻值,Bp為該種材料的材料常數.

NTC計算公式

Rt=RT*EXP(Bn*(1/T-1/T0)

式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值,Bn為材料常數.陶瓷晶粒本身由於溫度變化而使電阻率發生變化,這是由半導體特性決定的。

熱電阻的測量方式

2線制示意圖2線制示意圖

熱電阻測量同普通電阻測量方式一樣,分為2線制、3線制和4線制。

2線制

兩線制測量只有兩根導線,檢測電流和信號線(AD轉換器採集電壓值的線)是共用的,而我們使用的引線或導線都是有一定的阻值的,檢測電流通過導線會形成一定的壓降,實際採集到的電壓信號是電阻體和引線兩者疊加的電壓值,因此存在一定的誤差,導線越長越細,誤差越大,且此誤差使無法避免的。因此兩線制測量時,儘量保證引線要粗、短,才能減小此誤差。

3線制示意圖3線制示意圖

3線制

三線制測量時,被測電阻有三根線引出,其中兩根線是從電阻體同一端引出,如圖所示,在保證R1、R2、R3、R4阻值足夠大的情況下,構成的電橋對Rwire變化可以忽略不計,但是前提3根引線阻值要相等,這種情況下對引線的要求是非常高的,尤其引線過長時,很難保證阻值完全一致。

三線制測量在工業現場是最常用的,因為這種形式既消除了一部分引線誤差,又只比兩線制多一根線,從材料成本考慮和現場走線布局考慮,這種方案非常可取。

4線制示意圖4線制示意圖

4線制

四線制測量理論上可完全消除引線誤差。因為檢測電流和信號採集線是完全分開的,電壓採集電路保證足夠高的輸入阻抗的前提下,信號線是幾乎沒有任何電流的,也就不存在導線壓降,因此測得的電壓值完全是被測電阻體兩端的電壓值。對於精密測溫來說,必須要採用四線制測量。

鉑電阻選型

從核心元件出發,根據現場使用情況和成本考慮可選擇整體燒結外繞線式陶瓷鉑電阻、薄膜鉑電阻或內繞式鉑電阻。

無振動、溫度範圍300℃以內,可選擇內繞式鉑電阻,較為穩定。

有振動但不太強烈,溫度範圍200℃以內,或要求相應速度快,長期精度要求不高,可選擇薄膜鉑電阻。

強烈振動,溫度範圍寬(比如到-200℃或500℃),壽命要長,精度要求高,穩定性要好,選擇整體燒結外繞式陶瓷鉑電阻。

熱電阻封裝分類

從封裝工藝出發,根據現場使用情況大致分為:引線穿瓷管、鎧裝,不鏽鋼套管、耐磨套管,聚四氟塗層套管,端面測溫封裝。

引線穿瓷管這種工藝是將電阻體金屬引出線用多芯陶瓷管穿起來起到引線之間隔離的作用,而且陶瓷管耐高溫,超過400℃的情況下,幾乎沒有耐用的導線可以使用,這時可使用這種工藝解決。但這種工藝有一定的弊端,垂直插入的情況下,瓷管本身有一定的重力,電阻體受擠壓。尤其在高溫條件下,引線軟化,瓷管會壓迫引線和電阻體焊點,振動或時間長都會導致焊點斷裂。

鎧裝是將鉑電阻封裝到填充氧化鎂粉的鎧裝線內的工藝,鎧裝線耐溫高,在超過400℃的情況下,幾乎沒有耐用的導線可以使用,這時如果要求感測器長時間可靠,最好的方法就是使用鎧裝工藝,且鎧裝線可以折彎。

不鏽鋼套管工藝是將電阻體及引線插入不鏽鋼套管內,套管起保護作用,這種工藝形式是目前最常用的方式。

耐磨套管工藝是在不鏽鋼套管接觸被測介質端接一段耐磨金屬管,這種耐磨管由耐磨合金材料組成。當被測介質存在固體顆粒且流速較大時,會對套管產生沖刷作用,如果用普通套管,過段時間套管就會被沖漏或沖斷,此時就需要耐磨套管來起到長時間保護作用。

聚四氟塗層套管工藝是在不鏽鋼套管外側通過熱處理辦法塗上一層聚四氟乙烯,這種材質抗腐蝕能力非常強。當被測介質為強酸強鹼等強腐蝕性氣體或液體時,就需要這種套管進行保護。

端面測溫封裝工藝是將電阻體在不鏽鋼或銅套管內部緊貼測溫端面進行固定的一種工藝,用來測量被測物表面溫度。比如軸承軸瓦端面測溫等場合。使用這種封裝時如果元件選擇鉑電阻,那么只能使用薄膜鉑電阻,因為它體積小、厚度小。但是最理想的表面測溫元件是熱電偶。

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