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热电阻的基础知识

下面介绍热电阻的基础知识、选择方法、使用时的要点。

何谓热电阻

何谓热电阻

热电阻是利用金属或金属氧化物的电阻值根据温度变化而变化的特性,通过采集其电阻值来采集温度的传感器。
也称为RTD(Resistance Temperature Detector)。
使用的金属一般为特性稳定且容易获得的铂(Pt100)。
因此各制造商之间具有兼容性。
现在,它和热电偶一样是较为常用的一种温度传感器。

热电阻的特点

热电阻用来对温度作出高精度采集。

  • 可高精度采集温度
  • 可采集极低温度

这是其两大优点。同时,它又是一种不适合采集高温的传感器。
一般来说,热电阻用来采集环境温度,而热电偶则用来采集工业炉的温度。

热电阻的原理

热电阻电阻元件的电阻值根据温度变化会发生一定比例的变化。
让🌟一定电流通过电阻元件,并使用采集仪采集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。

热电阻的原理

[参考]Pt100的标准温度换算表

温度°C -100 0
0 60.26 100
-10 56.19 96.09
-20 52.11 92.16
-30 48 88.22
-40 43.88 84.27
-50 39.72 80.31
-60 35.54 76.33
-70 31.34 72.33
-80 27.1 68.33
-90 22.83 64.3
-100 18.52 60.26
温度°C 0 100 200
0 100 138.51 175.86
10 103.9 142.29 179.53
20 107.79 146.07 183.19
30 111.67 149.83 186.84
40 115.54 153.58 190.47
50 119.4 157.33 194.1
60 123.24 161.05 197.71
70 127.08 164.77 201.31
80 130.9 168.48 204.9
90 134.71 172.17 208.48
100 138.51 175.86 212.05
温度°C 300 400 500
0 212.05 247.09 280.98
10 215.61 250.53 284.3
20 219.15 253.96 287.62
30 222.68 257.38 290.92
40 226.21 260.78 294.21
50 229.72 264.18 297.49
60 233.21 267.56 300.75
70 236.7 270.93 304.01
80 240.18 274.29 307.25
90 243.64 277.64 310.49
100 247.09 280.98 313.71
温度°C 600 700 800
0 313.71 345.28 375.7
10 316.92 348.38 378.68
20 320.12 351.46 381.65
30 323.3 354.53 384.6
40 326.48 357.59 387.55
50 329.64 360.64 390.48
60 332.79 363.67
70 335.93 366.7
80 339.06 369.71
90 342.18 372.71
100 345.28 375.7

(单位:Ω)

热电阻的选择方法

根据电阻元件选择

热电阻可大致分为以下4类。

种类 采集范围
铂热电阻 -200到+660°C
铜热电阻 0到+180°C
镍热电阻 -50到+300°C
铂钴热电阻 -272到+27°C

下面描述了各类热电阻的特点。

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采集。
铂热电阻大致可分为以下2大类。Pt100使用得最为广泛。

符号 0°C时的电阻值 电阻比率
Pt100 100 Ω 1.3851
Pt10 10 Ω 1.3851

电阻比率:100ºC时的电阻值/0ºC时的电阻值

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。

镍热电阻

每1ºC的电阻值变化较大,价格低廉。
但是,它在+300ºC左右存在临界点,因而其使用上限温度较低。

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,用来采集极低温度。

根据精度选择

热电阻的精度作为“相对于采集温度的容许公差”。

级别 容许公差(°C)
A ±(0.15+0.002│t│)
B ±(0.3+0.005│t│)

│t│:采集温度的绝对值

根据内部导线的连线方式选择

内部导线的连线方式有2线式、3线式及4线式。

【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。
【3线式】
最常见的连线方式。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。
【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,但从采集原理上来说可以不受导线电阻的影响。

为何3线式热电阻不受导线电阻的影响?

为何3线式热电阻不受导线电阻的影响?

如图所示,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采集AB间电压和BC间电压,然后将两者的差额计算为采集值。
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
,可以不受导线电阻的影响。

根据结构选择

【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,这是热电阻最基本的结构。
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。

普通型(附保护管)热电阻
A
电阻元件
B
内部导线
C
保护管
D
端子

【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,铠装内不存在空气层,响应迅速是其最大优点。
此外,它的优点还在于可以自由弯曲形状,缩细外径。

铠装热电阻
A
金属套管
B
电阻元件
C
内部导线
D
MgO(氧化镁)

什么是“双元件”?

热电阻的电阻元件部分有时也被称为元件。
通常,1个热电阻的内部只存在1个电阻元件,凯发K8国际一触即发将它称为单元件。
所谓双元件,是指1个热电阻内装有2个电阻元件的这类热电阻。

  • 希望提高对于内部导线断线等故障的可靠性时
  • 用于希望在多个设备(记录仪和温控仪等)上显示相同采集值并进行记录时。

使用热电阻时的要点

注意内部导线导致的误差

热电阻通过精确采集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。无论是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。

热电阻可以延长吗?

可以。使用热电阻专用连接导线。
需要使用长导线时,为了避免产生误差,请确认导线每1 m的电阻值。请在记录仪的输入信号源电阻的范围🌸内进行选择。

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。
不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20倍的程度。

注意自我加热导致的误差

使用热电阻采集温度时,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。
凯发K8国际一触即发将其称为“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。

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。

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. 发热量变化导致采集误差。
  2. 规定电流值变化导致采集电压值随之变化,显示错误温度。

注意并联

将1根热电阻并联至多台记录仪时,请使用双元件类型。
使用单元件类型时,请务必在每台记录仪上准备1根热电阻。

并联时的问题是什么?(单元件类型)

并联时的问题是什么?(单元件类型)

记录仪在热电阻上流通规定电流,采集电阻两端产生的电压。
并联连线时,从2台记录仪上提供规定电流,因而无法获得正确的电压值。

注意连接至记录仪的导线连线位置

请对记录仪进行正确连线。如果连线错误,则显示错误温度。
下图显示了将3线式热电阻连接至记录仪的连线方法。

注意连接至记录仪的导线连线位置

参考1

将2线式热电阻连接到3线式热电阻采集专用记录仪的连线方法

将2线式热电阻连接到3线式热电阻采集专用记录仪的连线方法

参考2

将4线式热电阻连接到3线式热电阻采集专用记录仪的连线方法

将4线式热电阻连接到3线式热电阻采集专用记录仪的连线方法

* 此连线方式用作3线式热电阻,精度相当于3线式。

索引