熱電阻的測量電路及應(yīng)用(實(shí)驗(yàn)用)1

1、熱電阻的測量電路及應(yīng)用熱電阻的測量電路及應(yīng)用 一、熱電阻：一、熱電阻： n熱電阻的測溫原理：熱電阻的測溫原理： 基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而基于金屬導(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。增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。 n熱電阻大都由純金屬材料制成，目前用得最熱電阻大都由純金屬材料制成，目前用得最 多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用銦、多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用銦、 鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。 n在各類工業(yè)測溫的場合中，熱電阻是中低溫在各類工業(yè)測溫的場合中，熱電阻是中低溫 區(qū)最常用的一種溫度傳感器區(qū)最常用的一種溫度傳感器: : 鉑熱

2、電阻的測溫的范圍：一般為零下鉑熱電阻的測溫的范圍：一般為零下200-200- 800800攝氏度。攝氏度。 銅熱電阻的測溫的范圍：一般為零下銅熱電阻的測溫的范圍：一般為零下4040到到 140140攝氏度。攝氏度。 n其中的鉑熱電阻以其精度高、性能穩(wěn)定、互其中的鉑熱電阻以其精度高、性能穩(wěn)定、互 換性好、耐腐蝕及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成為工換性好、耐腐蝕及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成為工 業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種溫度傳感器。業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種溫度傳感器。 金屬鉑在氧化性介質(zhì)中，金屬鉑在氧化性介質(zhì)中， 甚至在高溫環(huán)境下，它的甚至在高溫環(huán)境下，它的 物理特性和化學(xué)性能十分物理特性和化學(xué)性能十分 穩(wěn)定，因此

3、它不僅廣泛應(yīng)穩(wěn)定，因此它不僅廣泛應(yīng) 用于工業(yè)測溫，而且還被用于工業(yè)測溫，而且還被 制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì) 量和校準(zhǔn)使用。量和校準(zhǔn)使用。 缺點(diǎn)：在還原性介質(zhì)中，缺點(diǎn)：在還原性介質(zhì)中， 特別在高溫下，易被污染特別在高溫下，易被污染 而變脆，稍有振動(dòng)就會(huì)斷而變脆，稍有振動(dòng)就會(huì)斷 裂。裂。 鉑熱電阻結(jié)構(gòu)鉑熱電阻結(jié)構(gòu): :電阻體電阻體, ,引引 線線, ,保護(hù)套管保護(hù)套管 性能參數(shù)：性能參數(shù)： 1 1、鉑電阻、鉑電阻元件元件的的溫度溫度-電阻特性：電阻特性： 0t850 -200t0 式中：式中：R RT T-溫度為溫度為TT的的電阻值電阻值 R R0 0-溫度為溫度為00的電阻值

4、的電阻值 t -t -任意溫度值任意溫度值 A A、B B、C C為分度系數(shù)為分度系數(shù) A=A= B= B= C= C= n00的鉑熱電阻的阻值十分重要的鉑熱電阻的阻值十分重要, ,它與材質(zhì)純它與材質(zhì)純 度和制造工藝有關(guān)度和制造工藝有關(guān), ,另一個(gè)對測溫有直接作用另一個(gè)對測溫有直接作用 的因素是電阻溫度系數(shù)的因素是電阻溫度系數(shù): :即溫度每變化即溫度每變化11時(shí)時(shí) 電阻值的相對變化量電阻值的相對變化量, ,電阻溫度系數(shù)本身也隨電阻溫度系數(shù)本身也隨 溫度變化而變化。溫度變化而變化。 2 2、鉑熱電阻分度表：、鉑熱電阻分度表： 不同材質(zhì)的鉑熱電阻，電阻溫度系數(shù)不不同材質(zhì)的鉑熱電阻，電阻溫度系數(shù)不

5、同。為便于比較，常選用共同的溫度范圍同。為便于比較，常選用共同的溫度范圍0 0 - 100 - 100 內(nèi)阻值變化的倍數(shù)來進(jìn)行比較。內(nèi)阻值變化的倍數(shù)來進(jìn)行比較。 這個(gè)值相當(dāng)于這個(gè)值相當(dāng)于0 - 1000 - 100范圍內(nèi)平均電阻范圍內(nèi)平均電阻 值的值的100100倍，此值越大表示鉑熱電阻越靈敏。倍，此值越大表示鉑熱電阻越靈敏。 常用的鉑熱電阻有常用的鉑熱電阻有PT100PT100，PT1000PT1000等，按等，按 IEC751IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，其表征的含義是：國際標(biāo)準(zhǔn)，其表征的含義是： Pt100Pt100（R0=100R0=100）、）、Pt1000Pt1000（R0=1000R0=

6、1000） n下表為下表為PT100PT100在在0 - 199 0 - 199 范圍內(nèi)的分范圍內(nèi)的分 度表：可以看出鉑熱電阻在度表：可以看出鉑熱電阻在0 - 200 0 - 200 的溫度范圍內(nèi)，具有良好的溫度的溫度范圍內(nèi)，具有良好的溫度- -電阻特性，電阻特性， 近似線性關(guān)系，因此通常計(jì)算時(shí)可采用近似近似線性關(guān)系，因此通常計(jì)算時(shí)可采用近似 公式。公式。 二、測量電路：二、測量電路： 工業(yè)上，廣泛工業(yè)上，廣泛 應(yīng)用鉑熱電阻作為應(yīng)用鉑熱電阻作為 -200 - 800-200 - 800 范圍的溫度測量。范圍的溫度測量。 n優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高, ,穩(wěn)穩(wěn) 定性強(qiáng)定性強(qiáng), ,互換性以及互換

7、性以及 準(zhǔn)確性都比較好準(zhǔn)確性都比較好, ,也也 可以遠(yuǎn)傳電信號可以遠(yuǎn)傳電信號 n缺點(diǎn)：熱慣性大，缺點(diǎn)：熱慣性大， 需要外加電源激勵(lì)需要外加電源激勵(lì), , 不能夠瞬時(shí)測量溫不能夠瞬時(shí)測量溫 度的變化。度的變化。 n鉑熱電阻測溫的常規(guī)方法是將鉑熱電阻接到鉑熱電阻測溫的常規(guī)方法是將鉑熱電阻接到 電橋的一個(gè)橋臂上，通過測量不平衡電橋的電橋的一個(gè)橋臂上，通過測量不平衡電橋的 輸出得到溫度值。輸出得到溫度值。 n電橋構(gòu)建注意的問題：電橋地與電源地不能電橋構(gòu)建注意的問題：電橋地與電源地不能 共地；電源必須是恒壓源，不允許有電壓波共地；電源必須是恒壓源，不允許有電壓波 動(dòng)，因此不能直接與外界的地相連動(dòng)，因此不

8、能直接與外界的地相連 n參數(shù)的考慮：兼顧（鉑熱電阻）熱慣性和參數(shù)的考慮：兼顧（鉑熱電阻）熱慣性和 （輸出電壓）靈敏度；（輸出電壓）靈敏度；a a、電流大小的考慮、電流大小的考慮 b b、電源電壓的選擇、電源電壓的選擇 c c、標(biāo)稱阻值的選擇、標(biāo)稱阻值的選擇 d d、調(diào)零電位器、調(diào)零電位器R9R9材質(zhì)的選擇（線繞電阻，康材質(zhì)的選擇（線繞電阻，康 銅）銅） n缺點(diǎn)：在這種方法中，鉑熱電阻的非線性和缺點(diǎn)：在這種方法中，鉑熱電阻的非線性和 不平衡電橋的非線性，會(huì)給測量帶來誤差。不平衡電橋的非線性，會(huì)給測量帶來誤差。 而且，鉑熱電阻作為溫度傳感器使用時(shí)，必而且，鉑熱電阻作為溫度傳感器使用時(shí)，必 須把它放

9、在測溫現(xiàn)場，從測溫點(diǎn)到測量變換須把它放在測溫現(xiàn)場，從測溫點(diǎn)到測量變換 電路之間的布線長度少則幾米，多則幾十米電路之間的布線長度少則幾米，多則幾十米 甚至上百米，這樣長的連接導(dǎo)線，即使不計(jì)甚至上百米，這樣長的連接導(dǎo)線，即使不計(jì) 熱噪電阻，它自身的引線電阻也是相當(dāng)可觀熱噪電阻，它自身的引線電阻也是相當(dāng)可觀 的，必然會(huì)對測量精度帶來較大影響。的，必然會(huì)對測量精度帶來較大影響。 n引線電阻的解決方案：鉑熱電阻引線電阻的解決方案：鉑熱電阻三線制接法三線制接法 三線制接法：三線制接法： 要求引出的三根導(dǎo)線要求引出的三根導(dǎo)線 截面積和長度均相同，測截面積和長度均相同，測 量鉑電阻的電路一般是不量鉑電阻的電路

10、一般是不 平衡電橋，鉑電阻作為電平衡電橋，鉑電阻作為電 橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo) 線一根接到電橋的電源端，線一根接到電橋的電源端， 其余兩根分別接到鉑電阻其余兩根分別接到鉑電阻 所在的橋臂及與其相鄰的所在的橋臂及與其相鄰的 橋臂上。當(dāng)橋路平衡時(shí)，橋臂上。當(dāng)橋路平衡時(shí)， 通過計(jì)算可知：通過計(jì)算可知： Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r n當(dāng)當(dāng)R1=R2R1=R2時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有 任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來 的測量誤差。的測量誤差。 n注

11、意注意: :前提前提 1)1)必須為等臂電橋必須為等臂電橋 2)2)并且在電橋平衡狀態(tài)下并且在電橋平衡狀態(tài)下 公式成立。公式成立。 否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響，但盡管否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響，但盡管 如此，采用三線制仍可大大減小導(dǎo)線電阻帶如此，采用三線制仍可大大減小導(dǎo)線電阻帶 來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接 法。法。 三、應(yīng)用電路：三、應(yīng)用電路： 電路主要由兩部分構(gòu)成：測溫電橋、放大電路電路主要由兩部分構(gòu)成：測溫電橋、放大電路 R4 510 + 5 - 4 1 8 27 11 U0 107650 IC3 7650 R6 510 R7

12、510 R9 4.7K R12 150 R5 510 C5 0.1u C6 0.1u C7 10u VCC-VCC C3 0.1u C4 0.1u R1 10k R2 10k R0 200 PT100 C2 0.1u C1 22u PT100 VCC 1 1、工作原理：、工作原理： 2 2、放大倍數(shù)計(jì)算：、放大倍數(shù)計(jì)算： A A、根據(jù)運(yùn)放放大特性：、根據(jù)運(yùn)放放大特性： -式式1.1 根據(jù)運(yùn)放虛斷路有根據(jù)運(yùn)放虛斷路有: =0 -式式1.2 )( 0 ii uuKU 11113 0 R U RR U i Ii 由式由式2.52.5得得: : 于是有：于是有： K K為運(yùn)算放大器的倍數(shù)，一般為為運(yùn)算放大器的倍數(shù)，一般為 ， 所以式所以式2.82.8可化簡為：可化簡為： -式式1.3 -式式1.4 1010 86 UU RR R i0 113 11 00 113 11 UU RR R K Ui U U U i K RR R RR RRKR RRK 311 11 113 31111 0 113 0 )( )( UUU ii R R R RR )1()( 11 3 11 113 0 從上面的計(jì)算可以知道從上面的計(jì)算可以知道76507650的放大倍數(shù)由的放大倍數(shù)由R3R3 和和R11R11的比值確定。的比值確定。