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熱電阻的測溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應(yīng)用多的是鉑和銅,現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它二次儀表上。 熱電阻是電阻值隨溫度變化的溫度檢測元件。它是利用物體(常見的是特定的金屬或半導(dǎo)體材料)的導(dǎo)電率隨溫度變化而變化的原理制成。它的阻值跟溫度的變化成正比,隨著溫度上升而成勻速增長。 使用熱電阻測溫的過程實(shí)際上是一個(gè)測量置于測量點(diǎn)上的熱電阻的阻值的過程。 電阻是基本電參數(shù)之一,其阻值 R 可按伏安特性定義,即 R=U/I,其中U 為電阻兩端的電壓,I 為流過電阻的電流或者按功率 P 來定義,即 R=P/(I^2)。。 可見測量熱電阻必須在熱電阻兩端連接導(dǎo)線,而導(dǎo)線的阻值以及阻值隨溫度變化的特性以及引入的其它干擾,必然會影響測量結(jié)果。而要這種影響,就必須知道引線的狀況,在對熱電阻進(jìn)行測量的同時(shí),從引線的兩端對引線進(jìn)行監(jiān)測。在兩根引線參數(shù)一致的前提下,要知道其中一根的狀況,至少需要增加一根導(dǎo)線,用來將測量引線中的一根的現(xiàn)場端連接到儀表端。這就是熱電阻的三線制連接的由來。 熱電阻測量儀表(溫度指示儀、溫度變送器等)比較常見的是采用電橋作為前置電路,在采用三線制的條件下,能夠有效的現(xiàn)場到控制室之間數(shù)十到數(shù)千米導(dǎo)線對的測量造成的影響。 為了說明其工作原理,下面從電橋平衡原理說起。 C端加上電壓Ue時(shí),B、D端的電壓: Uo=Ue×[R2/(R1+R2)]-Ue×[R3/(R3+R4)] 當(dāng)電橋平衡,即Uo=0時(shí),有: Ue×[R2/(R1+R2)]=Ue×[R3/(R3+R4)] 整理后有: R1×R3=R2×R4 或 R1/R2=R4/R3 由這個(gè)公式可以看出電橋平衡時(shí): 供電電壓Ue波動時(shí),輸出電壓Uo不變; 橋路的四個(gè)橋臂電阻R1、R2、R3、R4按相同比例變化時(shí),輸出電壓 Uo不變; C端加上電壓Ue時(shí),B、D端的電壓: Uo=Ue×[R2/(R1+R2)]-Ue×[R3/(R3+R4)] 當(dāng)電橋平衡,即Uo=0時(shí),有: Ue×[R2/(R1+R2)]=Ue×[R3/(R3+R4)] 整理后有: R1×R3=R2×R4 或 R1/R2=R4/R3 由這個(gè)公式可以看出電橋平衡時(shí): 供電電壓Ue波動時(shí),輸出電壓Uo不變; 橋路的四個(gè)橋臂電阻R1、R2、R3、R4按相同比例變化時(shí),輸出電壓 Uo不變; 當(dāng)Ra’、Rb’按相同比例發(fā)生變化時(shí),對橋路輸出Uo沒有影響。Rc變化會影響橋路供電電壓,但對輸出Uo沒有影響。橋路輸出Uo僅和被測熱電阻R△有關(guān)。 在實(shí)際測量電路中,電橋并不一定設(shè)計(jì)成平衡狀態(tài),熱電阻從那個(gè)橋臂接入也沒有一定之規(guī),但采用三線制接法,利用電橋的平衡能力連接導(dǎo)線影響的基本原理是相通的。 以電橋作為熱電阻測溫儀表的前置電路,可以將熱電阻的阻值直接轉(zhuǎn)換成 相應(yīng)的電壓,對后續(xù)電路沒有嚴(yán)格要求,同時(shí)可以有效克服接線電阻對測量的影響。通過對橋路參數(shù)的合理選擇,可以使儀表獲得良好的抗干擾能力,所以在熱電阻測溫儀表中廣泛采用。 其它三線制測量方法 近些年來,隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,出現(xiàn)了一些無需采用前置電橋而測量熱電阻阻值的儀表,一些儀表廠商還開發(fā)出了具有完整溫度變送器功能的集成模塊。雖然這些測量儀表方式多 改變的,就是如果要接線電路對測量的影響,就至少需要知道其中一根導(dǎo)線所產(chǎn)生的影響。也就是說除非可以忽略連接導(dǎo)線對測量的影響,否則至少需要三根連線。 圖四是一個(gè)集成溫度變送器前置部分的原理示意:當(dāng)恒流電流流經(jīng)線路電阻Ra、Rb和測溫電阻R△時(shí)將分別在這三個(gè)電阻上產(chǎn)生電壓。不難看出,當(dāng)三個(gè)導(dǎo)線電阻一致時(shí),恒流電流流經(jīng)R△所產(chǎn)生的電壓,等于V2-V1。很顯然當(dāng)三個(gè)導(dǎo)線電阻發(fā)生等量變化時(shí),這個(gè)關(guān)系依然成立。 三線制測量對導(dǎo)線的要求 從上面的原理分析可以看出,無論采用哪種方法,要導(dǎo)線Ra、Rb對于測量的影響,都有一個(gè)要求兩根導(dǎo)線的阻值以及在受環(huán)境影響發(fā)生的變化量都完全一致的要求。 同時(shí)對于導(dǎo)線Rc,雖然從理論上對測量不會發(fā)生影響,但那只是在理想狀態(tài)下的推導(dǎo),實(shí)際工作中,仍然會對測量產(chǎn)生影響,而要這種影響,就必須對這根導(dǎo)線的狀態(tài)有所了解,簡單的做法,就是讓這根線和其它兩根線保持一致。 所以在采用三線制接線要求采用相同阻值和材質(zhì)的導(dǎo)線,簡單的方法就是:采用同規(guī)格同材質(zhì)的導(dǎo)線,例如使用三芯電纜;同時(shí)避免或減少中間接頭,因?yàn)榻宇^的質(zhì)量有可能對測量產(chǎn)生影響。
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熱電偶:一種測溫度的傳感器,與熱電阻一樣都是溫度傳感器,但是他和熱電阻的區(qū)別主要在于: ,信號的性質(zhì),熱電阻本身是電阻,溫度的變化,使電阻產(chǎn)生正的或者是負(fù)的阻值變化;而熱耦,是產(chǎn)生感應(yīng)電壓的變化,他隨溫度的改變而改變。 第二,兩種傳感器檢測的溫度范圍不一樣,熱阻一般檢測0-150度溫度范圍(當(dāng)然可以檢測負(fù)溫度),熱耦可檢測0-1000度的溫度范圍(甚至更高)所以,前者是低溫檢測,后者是高溫檢測。 第三,從材料上分,熱阻是一種金屬材料,具有溫度敏感變化的金屬材料,熱耦是雙金屬材料,既兩種不同的金屬,由于溫度的變化,在兩個(gè)不同金屬絲的兩端產(chǎn)生電勢差。 熱電阻(thermal resistor)是中低溫區(qū)常用的一種溫度檢測器。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。 它的主要特點(diǎn)是測量精度高,性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量度是 的,它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫,而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應(yīng)用多的是鉑和銅,此外,現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多,常用的是鉑絲。工業(yè)測量用金屬熱電阻材料除鉑絲外,還有銅、鎳、鐵、鐵—鎳等。
熱電阻及其測溫原理 ? 在工業(yè)應(yīng)用中,熱電偶一般適用于測量500以上的較高溫度。對于500以下的中、低溫度,熱電偶的輸出的熱電勢很小,這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高,否則難以實(shí)現(xiàn)測量;而且,在較低溫區(qū)域,冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。所以測量中、低溫度一般使用熱電阻溫度測量儀表較為合適。 1、? 熱電阻的測溫原理 與熱電偶的測溫原理不同的是,熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測量的,即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此,只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?,就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。 金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示,即 Rt=Rt0[1+α(t-t0)] 式中,Rt為溫度t時(shí)的阻值;Rt0為溫度t0(通常t0=0)時(shí)對應(yīng)電阻值;α為溫度系數(shù)。 半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為 Rt=AeB/t 式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值;A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。 相比較而言,熱敏電阻的溫度系數(shù)更大,常溫下的電阻值更高(通常在數(shù)千歐以上),但互換性較差,非線性嚴(yán)重,測溫范圍只有-50~300左右,大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500范圍內(nèi)的溫度測量,其特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠,在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。 ? 2、? 工業(yè)上常用金屬熱電阻 從電阻隨溫度的變化來看,大部分金屬導(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì),但并不是都能用作測溫?zé)犭娮瑁鳛闊犭娮璧慕饘俨牧弦话阋螅罕M可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大(在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸)、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性能、材料的復(fù)制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關(guān)系(好呈線性關(guān)系)。 目前應(yīng)用廣泛的熱電阻材料是鉑和銅:鉑電阻精度高,適用于中性和氧化性介質(zhì),穩(wěn)定性好,具有一定的非線性,溫度越高電阻變化率越??;銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系,溫度線數(shù)大,適用于無腐蝕介質(zhì),超過150易被氧化。中國常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種,它們的分度號分別為Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應(yīng)用為廣泛。 ? 3、熱電阻的信號連接方式 熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件,通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場,與控制室之間存在一定的距離,因此熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響。 目前熱電阻的引線主要有三種方式 1二線制:在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制:這種引線方法很簡單,但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r,r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān),因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合? 2三線制:在熱電阻的根部的一端連接一根引線,另一端連接兩根引線的方式稱為三線制,這種方式通常與電橋配套使用,可以較好的引線電阻的影響,是工業(yè)過程控制中的常用的引線電阻。熱電阻采用三線制,將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端,其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上,這樣了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。? 3四線制:在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制,其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I,把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U,再通過另兩根引線把U引至二次儀表??梢娺@種引線方式可完全引線的電阻影響,主要用于高精度的溫度檢測。 ? 4、? 熱電阻的結(jié)構(gòu)形式 和熱電偶溫度傳感器相類似,工業(yè)上常用的熱電阻主要有普通裝配式熱電阻和鎧裝熱電阻兩種型式。 普通通裝配式熱電阻是由感溫體、有銹鋼外保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置級成,安裝固定裝置有固定外螺紋、活動法蘭盤、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護(hù)管等形式。鎧裝熱電阻外保護(hù)套管采用不銹鋼,內(nèi)充高密度氧化物緣體,具有很強(qiáng)的抗污染性能和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。與前者相比,鎧裝熱電阻具有直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應(yīng)時(shí)間快、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。 對于一些特殊的測溫場合,還可以選用一些專業(yè)型熱電阻,如,測量固體表面溫度可以選用端面熱電阻,在易燃易爆場合可以選用防爆型熱電阻,測量震動設(shè)備上的溫度可以選用帶有防震結(jié)構(gòu)的熱電阻等 2線、3線、4線熱電阻測溫原理有何區(qū)別 與熱電阻連接的檢測設(shè)備(溫控表、PLC輸入等)都有四個(gè)接線端子。I+、I-、V+、V-。? 其中,I+、I-端是為了給熱電阻提供恒定的電流,V+、V-是用來監(jiān)測熱電阻的電壓變化,依次檢測溫度變化。? 4線就是從熱電阻兩端引出4線,和4個(gè)端子連接。? 3線就是引出3線,這需要檢測設(shè)備方的I-\V-短接。? 2線就使引出2線,這需要檢測設(shè)
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