 热电阻测温基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。由导体或半导体制成的感温器件称为热电阻。 热电阻测温的优点是信号可以远传、灵敏度高、无需参比温度。金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。其缺点是需要电源激励、有自热现象，影响测量精度。 金属热电阻 (1)热电阻材料 对热电阻的材料选择有如下要求。 ①选择电阻随温度变化成单值连续关系的材料，最好是呈线性或平滑特性，这一特性可以用分度公式和分度表描述。 ②有尽可能大的电阻温度系数。电阻温度系数一般表示为:  ③有较大的电阻率，以便制成小尺寸元件，减小测温热惯性。0℃时的电阻值R0很重要，要选择合适的大小，并有允许误差要求。 ④在测温范围内物理化学性能稳定。 ⑤复现性好，复制性强，易于得到高纯物质，价格较便宜。 目前使用的金属热电生材料有钥、铂、镍、铁等。实际应用最多的是铜、铂两种材料，并已实行标准化生产。 (2)工业热电阻 ①铂热电阻使用范围为-200~850℃， R0选用10Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt10和Pt100。铂热电阻的精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但是价格较贵。在高温下只适合在氧化气氛中使用，真空和还原气氛将导致电阻值迅速漂移。其电阻与温度的关系为: 当t≥0℃时 R(t)=R0(1+At+Bt2) 当t <0℃时 R(t)=R 0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)] 式中 A=3.9083×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-2，C=-4.183×10-12℃-4 ②铜热电阻 使用范围为-40~140℃, R0选用50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100。铜热电阻的线性较好；价格低；电阻率低，因而体积较大，热响应慢。但是利用这一特点可以制作测量区域平均温度的感温元件。其电阻与温度的关系为: R(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3) (4-12) 式中 A=4.28899×10-3℃-1，B=-2.133×10-7℃-2，C=1.233×10-9℃-3 两种热电阻亦有分度表可查。表4-7和表4-8给出两种热电阻的特性及它们的分度表。 表4-7 工业热电阻分类及特性
工业热电阻结构亦有普通型和铠装型两种形式。 ①普通型热电阻 其结构如图4-7(a)所示，主要由感温元件、内引线、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。感温元件是由细的铂丝或铜丝绕在绝缘支架上构成，为了使电阻体不产生电感，电阻丝要用无感绕法绕制，如图4-7(b)所示，将电阻丝对折后双绕，使电阻丝的两端均由支架的同一侧引出。对于保护套管的要求与热电偶相同。 ②铠装热电阻 用铠装电缆作为保护管-绝缘物-内引线组件，前端与感温元件连接，外部焊接短保护管，组成恺装热电阻.恺装热电阻外径一般为2~8mm。其特点是体积小，热响应快，耐振动和冲击性能好，除感温元件部分外，其他部分可以弯曲，适合于在复杂条件下安装。  (4)热电阻引线方式 工业热电阻安装在测量现场，其引线电限对测量结果有较大影响。热电限的引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图4-8所示。二线翻方式是在热电阻两端各连一根导线，这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻随环境温度的变化会带来附加误差。只有当引线电阻r与元件电阻值R满足2r/R≤10-3时，引线电阻的影响才可以忽略。三线制方式是在热电阻的一端连接两根导线(其中一根作为电源线)，另一端连接一根导线。当热电阻与测量电桥配用时，分别将两端引线接入两个桥臂。就可以较好地消除引线电阻影响，提高测量精度，工业热电阻测温多用此种接法。四线制方式是在热电阻两端各连两根导线，其中两根引线为热电限提供恒流源，在热电阻上产生的压降通过另外两根导线接人电势测量仪表进行测量，当电势测量端的电流很小时，可以完全消除引线电阻对测量的影响，这种引线方式主要用于高精度的温度检测。  为进一步了解三线制热电阻接线方式的特点，以图4-9为例进行详细介绍。  图4-9(a)所示为当传感器位于远端时采用Pt100热电阻配合惠斯通电桥测量温度的两线制接线方式。连接热电阻和电桥的两根长导线在25℃时的电阻均为10.5Ω，长导线材料的电阻温度系数为0.385%/℃, R1、R2、R3为精密电阻且其阻值随温度的变换可以忽略。热电阻随被测温度的变化范围为100℃到105℃。在设计上述热电阻测温信号调理电路时，假设长导线所处环境温度为25℃，为消除长导线电阻带来的误差，在左下桥臂中引入阻值为21Ω。的补偿电阻Rcomp。由长导线所处环境温度变化对测量造成的影响可根据如下定量分析决定。 ①当长导线所处环境温度为25℃时，Rlead=10.5Ω，电桥的愉出可表示为:  若Rt从100Ω变换到105Ω时，将其阻值代人上式.可得到对应的电桥输出V0的变化范围为0→100.1mV。 ②当长导线所处环境温度为35℃时，Rlead=10.5(1+0.00385×10)≈10.904Ω，电桥的输出仍可表示为:  对应Rt从100Ω变换到105Ω，相应的电桥输出Vo的范围为16.5mV→115.9mV。 相对于按图4-9(a)考虑环境温度为25℃设计的电桥电路，当长导线所处环境温度从25℃变化到35℃时，导致电桥实际输出范围从0~100.1mV变为了16.5~115.9mV，相应的零点误差和量程误差为：  可见，通过采用三线制接线方式，由于热电阻引线电阻随环境温度变化对测量带来的影响可以基本忽略。  热敏电阻 热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。热敏电阻有正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTR)热敏电阻三种，它们的温度特性曲线如图4-10所示。温度检测用热敏电阻主要是负温度系数热敏电阻，PTC和CTR热敏电阻则利用在特定温度下电阻值急剧变化的特性构成温度开关器件。 负温度系数热敏电阻的阻值与温度的关系近似表示为:  式中，R(T)，R(T0)为热敏电阻在温度T、T0时的电阻值；B为取决于半导体材料和结构的常数。 根据电限温度系数的定义，可求得负温度系数热敏电阻的温度系数αT为  由上式看出，电阻温度系数αT是随温度T而变化的，所以热敏电阻在低温段比高组段要更灵敏；B值越大灵敏度越高。负温度系数热敏电阻的T0一般为25℃，故R(25℃)和B值是热敏电阻的重要参数，要选择合适的R (25℃)和B值，使热敏电阻在测温范围内有较好的稳定性。热敏电阻可以制成不同的结构形式，有珠形、片形、杆形、薄膜形等。负温度系数热敏电阻主要由单晶以及锰、镍、钴等金属氧化物制成，如有用于低温的锗电限、碳电阻和渗碳玻璃电阻；用于中高温的混合氧化物电阻。在-50~300℃范围，珠状和柱状的金属氧化物热敏电阻的稳定性较好。 热敏电阻的优点是电阻温度系数大，αT在-3×10-2~-6×10-2℃-1之间，为金属电阻的十几倍，故灵敏度高；电阻值高，引线电阻对测温没有影响，使用方便；体积小。热响应快；结构简单可靠，价格低廉；化学稳定性好，使用寿命长。缺点是互换性差，每一品种的测温范围较窄，部分品种的稳定性差。由于这些特点，热敏电阻作为工业用测温元件，在汽车和家电领域得到大量的应用。 |
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