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?，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩(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(huì)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(dòng)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(dòng)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)

　　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(huì)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)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(huì)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。