第三章 溫度測(cè)量熱電阻

1、 第三節(jié)第三節(jié) 熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫 工業(yè)上廣泛應(yīng)用電阻溫度計(jì)來(lái)測(cè)量工業(yè)上廣泛應(yīng)用電阻溫度計(jì)來(lái)測(cè)量 -200-200500500之間的溫度。之間的溫度。 特點(diǎn)特點(diǎn): : 準(zhǔn)確度高；準(zhǔn)確度高； 在中低溫下（在中低溫下（ 500500以下）測(cè)溫以下）測(cè)溫, , 輸出信號(hào)比熱電輸出信號(hào)比熱電偶的要大得多偶的要大得多, ,故靈敏度高；故靈敏度高； 輸出是電信號(hào)，因此便于信號(hào)的遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切輸出是電信號(hào)，因此便于信號(hào)的遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量。換測(cè)量。 組成組成: :由熱電阻、顯示儀表由熱電阻、顯示儀表 和連接導(dǎo)線組成，熱電阻由和連接導(dǎo)線組成，熱電阻由 電阻體、絕緣套管和保護(hù)套電阻體、絕緣套管和保護(hù)套

2、管等主要部件組成。管等主要部件組成。 一、測(cè)溫原理一、測(cè)溫原理 根據(jù)材料不同，測(cè)溫?zé)犭娮杩煞譃榻饘俸桶雽?dǎo)體根據(jù)材料不同，測(cè)溫?zé)犭娮杩煞譃榻饘俸桶雽?dǎo)體熱電阻兩種。熱電阻兩種。 實(shí)驗(yàn)證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度升高實(shí)驗(yàn)證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度升高11時(shí)，時(shí)，其阻值要增加其阻值要增加0.40.40.60.6，半導(dǎo)體的阻值要減小，半導(dǎo)體的阻值要減小3 36 6。正是由于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨溫度而變化，因。正是由于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨溫度而變化，因此測(cè)量它們的電阻值變化便可達(dá)到測(cè)溫的目的。此測(cè)量它們的電阻值變化便可達(dá)到測(cè)溫的目的。 并不是任何材料都選用來(lái)制作熱電阻。對(duì)制作熱并不是任何材料都選用來(lái)

3、制作熱電阻。對(duì)制作熱電阻的材料有很多要求電阻的材料有很多要求, ,其中有一點(diǎn)是選用的材料的電阻其中有一點(diǎn)是選用的材料的電阻溫度系數(shù)要大。溫度系數(shù)要大。 電阻溫度系數(shù)的定義是：電阻溫度系數(shù)的定義是：溫度變化溫度變化ll時(shí)電阻值的相時(shí)電阻值的相對(duì)變化量，用對(duì)變化量，用來(lái)表示，單位是來(lái)表示，單位是-1-1，根據(jù)定義，根據(jù)定義，用用下式表示：下式表示： 一般材料的溫度系數(shù)一般材料的溫度系數(shù)并非常數(shù)，在不同的溫度下并非常數(shù)，在不同的溫度下具有不同的數(shù)值。因此常用（具有不同的數(shù)值。因此常用（R R100100R R0 0）（）（R R0 0100100）代表代表0 0100100之間的平均溫度系數(shù)，其中之

4、間的平均溫度系數(shù)，其中R R100100表示表示100100時(shí)的電阻值，時(shí)的電阻值，R R0 0表示表示00時(shí)的電阻值。時(shí)的電阻值。 為什么要求制作熱電阻的材料的電阻溫度系為什么要求制作熱電阻的材料的電阻溫度系數(shù)要大？數(shù)要大？dtdRRdtRdR1 二、標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻二、標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻 1 1、 鉑電阻鉑電阻 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、性能可靠。穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、性能可靠。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 在還原性氣氛中，特別是在高溫下很容易被還原在還原性氣氛中，特別是在高溫下很容易被還原性氣體污染，鉑絲將變脆，并改變電阻與溫度間的關(guān)系。性氣體污染，鉑絲將變脆，并改變電阻與溫度間的關(guān)系。 純

5、度要求：純度要求：鉑的純度常以鉑的純度常以R R100100/R/R0 0來(lái)表示。對(duì)于工業(yè)用鉑來(lái)表示。對(duì)于工業(yè)用鉑電阻，規(guī)定其電阻，規(guī)定其R R100100/R/R0 0為為1.3851.385； 分度號(hào)：分度號(hào)：Pt10Pt10和和Pt100Pt100；（注意（注意1010和和100100的含義）的含義） 分度關(guān)系：分度關(guān)系：鉑電阻的溫度特性可用下列二式表示：鉑電阻的溫度特性可用下列二式表示：在在-200-20000之間之間 R Rt t=R=R0 0 1 + At + Bt1 + At + Bt2 2 + Ct+ Ct3 3(t-100) (t-100) 在在0 0850850之間之間 R

6、 Rt t=R=R0 0 (1 + At + Bt(1 + At + Bt2 2) ) 以上兩式中以上兩式中 R Rt ttt時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； R R0 000時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； A A， B B， C C常數(shù)，對(duì)于工業(yè)用鉑電阻，常數(shù)，對(duì)于工業(yè)用鉑電阻，A A 3.908023.908021010-3 -3 -1-1， B B5.8025.8021010-7 -7 -2 -2 , , C= C= 4.273504.273501010-12 -12 -4-4 2 2、銅電阻、銅電阻 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，電阻溫度優(yōu)點(diǎn)：電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，電

7、阻溫度系數(shù)也比較大，而且材料容易提純，價(jià)格比較便宜，適系數(shù)也比較大，而且材料容易提純，價(jià)格比較便宜，適用于一些測(cè)量準(zhǔn)確度要求不是很高、而且溫度較低的場(chǎng)用于一些測(cè)量準(zhǔn)確度要求不是很高、而且溫度較低的場(chǎng)合。測(cè)量范圍是合。測(cè)量范圍是-50-50+150+150。 缺點(diǎn)：在缺點(diǎn)：在250250以上容易氧化，因此只能用在低溫及沒以上容易氧化，因此只能用在低溫及沒有腐蝕性的介質(zhì)中；銅的電阻率有腐蝕性的介質(zhì)中；銅的電阻率比較小，做成一定阻比較小，做成一定阻值的熱電阻時(shí)體積就不可能很小。值的熱電阻時(shí)體積就不可能很小。 純度：純度：我國(guó)規(guī)定工業(yè)用銅電阻的我國(guó)規(guī)定工業(yè)用銅電阻的R R100100/R/R0 01.

8、4281.428。 分度號(hào)：分度號(hào)：銅電阻的分度號(hào)是銅電阻的分度號(hào)是Cu50Cu50和和Cul00Cul00，表示其，表示其R R0 0分分別為別為5050及及100100。 分度關(guān)系：分度關(guān)系：銅電阻在其測(cè)量范圍內(nèi)的溫度特性可用下銅電阻在其測(cè)量范圍內(nèi)的溫度特性可用下式表示：式表示： R Rt t=R=R0 0 (1 + At + Bt(1 + At + Bt2 2 +Ct+Ct3 3) ) 式中式中 R Rt ttt時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； R R0 000時(shí)的電阻值時(shí)的電阻值 A A， B B， C C常數(shù)，對(duì)于工業(yè)用銅電阻，常數(shù)，對(duì)于工業(yè)用銅電阻，A A 4.288994.2889910

9、10-3 -3 -1-1 , B , B 2. 1332. 1331010-7 -7 -2 -2 ， C C1.2331.2331010-9 -9 -3 -3 。 由于銅電阻的特性在由于銅電阻的特性在 0 0100 100 之間基本上是線性之間基本上是線性的，所以在的，所以在 0 0 100100之間的溫度特性可以用下式表示：之間的溫度特性可以用下式表示： R Rt t=R=R0 0 (1 + t(1 + t）式中式中 0 0 100100之間的溫度系數(shù)，等于之間的溫度系數(shù)，等于 4.28 4.28 1010- -3 3 -1 -1 。三、半導(dǎo)體熱敏電阻三、半導(dǎo)體熱敏電阻 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：

10、-100-100300300 材料：金屬氧化物以一定比例混合材料：金屬氧化物以一定比例混合 分類：分類：NTCNTC、PTCPTC、CTRCTR NTCNTC的電阻溫度特性的電阻溫度特性: R: RT T=Ae=AeB B/T/T 特點(diǎn)（與金屬測(cè)溫電阻相比）特點(diǎn)（與金屬測(cè)溫電阻相比） 電阻系數(shù)大電阻系數(shù)大 電阻率大電阻率大 體積小體積小 非線性嚴(yán)重非線性嚴(yán)重 互換性差互換性差 穩(wěn)定性不好穩(wěn)定性不好 四、工業(yè)用熱電阻的結(jié)構(gòu)四、工業(yè)用熱電阻的結(jié)構(gòu) 由熱電阻體、引出線、絕緣骨架、保由熱電阻體、引出線、絕緣骨架、保護(hù)套管、接線盒等部分組成。其中保護(hù)套護(hù)套管、接線盒等部分組成。其中保護(hù)套管和接線盒的外形

11、及其功能、要求和熱電管和接線盒的外形及其功能、要求和熱電偶基本相同。偶基本相同。 鉑電阻體結(jié)構(gòu)鉑電阻體結(jié)構(gòu)1-銀引出線；銀引出線；2-鉑絲；鉑絲；3-鋸齒形云母骨架；鋸齒形云母骨架；4-保護(hù)保護(hù)用云母片；用云母片；5-銀綁帶；銀綁帶；6-銅電阻橫截面；銅電阻橫截面；7-保護(hù)套保護(hù)套管；管；8-石英骨架石英骨架 銅電阻體結(jié)構(gòu)銅電阻體結(jié)構(gòu)1-線圈骨架；線圈骨架；2-銅熱電銅熱電阻絲；阻絲；3-補(bǔ)償組；補(bǔ)償組；4-銅銅引出線引出線半導(dǎo)體熱敏電阻結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體熱敏電阻結(jié)構(gòu)1-電阻體；電阻體；2-引出線；引出線；3-玻璃保護(hù)管；玻璃保護(hù)管；4-引出極；引出極；5-錫箔；錫箔；6-密封材料；密封材料；7-導(dǎo)體

12、導(dǎo)體 （a）普通工業(yè)熱電阻）普通工業(yè)熱電阻 (b) 鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻 1-接線盒；接線盒；2-接線柱；接線柱； 1-感溫元件；感溫元件；2-金屬套管；金屬套管； 3-接線座；接線座；4-保護(hù)套管；保護(hù)套管； 3-金屬導(dǎo)線金屬導(dǎo)線; 4-絕緣材料；絕緣材料； 5-引出線；引出線；6-感溫元件感溫元件 5-接線盒接線盒 熱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖熱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖熱電阻的結(jié)構(gòu) 引出線引出線 （1）兩線制）兩線制 （2）三線制）三線制 （3）四線制）四線制 五、電阻的測(cè)量方法五、電阻的測(cè)量方法 對(duì)于熱電阻阻值的測(cè)量對(duì)于熱電阻阻值的測(cè)量, ,在實(shí)驗(yàn)室常用手動(dòng)平衡電在實(shí)驗(yàn)室常用手動(dòng)平衡電橋橋, ,在工業(yè)上常

13、采用自動(dòng)平衡電橋和不平衡電橋。在工業(yè)上常采用自動(dòng)平衡電橋和不平衡電橋。任何測(cè)量電阻的方法，都應(yīng)注意：任何測(cè)量電阻的方法，都應(yīng)注意：（1 1）通過(guò)熱電阻的電流不能超過(guò)允許值；）通過(guò)熱電阻的電流不能超過(guò)允許值；（2 2）連接導(dǎo)線的阻值要固定；）連接導(dǎo)線的阻值要固定；（3 3）連接導(dǎo)線的接線方式要盡量能消除環(huán)境溫度的影響）連接導(dǎo)線的接線方式要盡量能消除環(huán)境溫度的影響（采用三線制和四線制接線方式）（采用三線制和四線制接線方式） 下面主要介紹電橋測(cè)量法。下面主要介紹電橋測(cè)量法。1 1、用手動(dòng)、用手動(dòng)平衡電橋測(cè)電阻平衡電橋測(cè)電阻 2 2、用自動(dòng)平衡電橋測(cè)電阻、用自動(dòng)平衡電橋測(cè)電阻自動(dòng)平衡電橋的測(cè)量橋路自動(dòng)

14、平衡電橋的測(cè)量橋路 3 3、用不平衡電橋測(cè)電阻、用不平衡電橋測(cè)電阻熱電阻的兩線制接法示意熱電阻的兩線制接法示意 熱電阻引線的三線制接法示意熱電阻引線的三線制接法示意 恒流驅(qū)動(dòng)四線制多路測(cè)溫恒流驅(qū)動(dòng)四線制多路測(cè)溫 恒流驅(qū)動(dòng)三線制多路測(cè)溫恒流驅(qū)動(dòng)三線制多路測(cè)溫 三線制熱電阻電橋多路測(cè)量電路三線制熱電阻電橋多路測(cè)量電路 兩線制熱電阻電橋多路測(cè)量電路兩線制熱電阻電橋多路測(cè)量電路 熱電阻溫度計(jì)的應(yīng)用熱電阻溫度計(jì)的應(yīng)用 熱電阻的誤差分析熱電阻的誤差分析 （1）動(dòng)態(tài)誤差 （2）連線電阻變化引起測(cè)量誤差 （3）熱電阻通電發(fā)熱引起誤差 （4）機(jī)械力帶來(lái)的誤差 （5）氧化帶來(lái)的誤差（6）淬火效應(yīng)的誤差 六、熱電阻

15、的校驗(yàn)六、熱電阻的校驗(yàn)工業(yè)熱電阻的校驗(yàn)采用比較法。工業(yè)熱電阻的校驗(yàn)采用比較法。第四節(jié)第四節(jié) 測(cè)溫實(shí)例測(cè)溫實(shí)例 采用接觸式測(cè)溫方法測(cè)量溫度時(shí)，溫度計(jì)指示的溫度采用接觸式測(cè)溫方法測(cè)量溫度時(shí)，溫度計(jì)指示的溫度只是感溫元件本身的溫度。若要使測(cè)溫儀表的感溫元件輸只是感溫元件本身的溫度。若要使測(cè)溫儀表的感溫元件輸出反映被測(cè)溫度，需滿足以下條件：出反映被測(cè)溫度，需滿足以下條件： （1 1）溫度計(jì)和被測(cè)對(duì)象組成孤立的熱平衡系統(tǒng)；）溫度計(jì)和被測(cè)對(duì)象組成孤立的熱平衡系統(tǒng)； （2 2）溫度計(jì)的熱容和熱阻為零。）溫度計(jì)的熱容和熱阻為零。 但實(shí)際測(cè)溫中，溫度計(jì)除與被測(cè)對(duì)象進(jìn)行熱交換外，但實(shí)際測(cè)溫中，溫度計(jì)除與被測(cè)對(duì)象進(jìn)

16、行熱交換外，還要與周圍環(huán)境交換熱量；再有溫度計(jì)的熱容和熱阻也不還要與周圍環(huán)境交換熱量；再有溫度計(jì)的熱容和熱阻也不可能為零。各種因素的影響使得溫度計(jì)的輸出與被測(cè)真實(shí)可能為零。各種因素的影響使得溫度計(jì)的輸出與被測(cè)真實(shí)溫度不同，有時(shí)兩者的差別很大。單靠提高測(cè)溫儀表的準(zhǔn)溫度不同，有時(shí)兩者的差別很大。單靠提高測(cè)溫儀表的準(zhǔn)確度是不能減小此偏差的，只有通過(guò)分析測(cè)溫對(duì)象，選擇確度是不能減小此偏差的，只有通過(guò)分析測(cè)溫對(duì)象，選擇合理的測(cè)溫技術(shù)，才有可能獲得準(zhǔn)確的溫度值。合理的測(cè)溫技術(shù)，才有可能獲得準(zhǔn)確的溫度值。 一、一、 管內(nèi)流體溫度的測(cè)量管內(nèi)流體溫度的測(cè)量 式中式中 、 管內(nèi)外介質(zhì)對(duì)測(cè)溫管之間的放熱系數(shù)；管內(nèi)外

17、介質(zhì)對(duì)測(cè)溫管之間的放熱系數(shù)； 、 管內(nèi)外兩段測(cè)溫管的熱導(dǎo)率，管內(nèi)外兩段測(cè)溫管的熱導(dǎo)率， = = 、 、 兩段測(cè)溫管的截面周長(zhǎng)，兩段測(cè)溫管的截面周長(zhǎng)， = = 、 管道內(nèi)、外兩段測(cè)溫管的截面積，管道內(nèi)、外兩段測(cè)溫管的截面積， = = 、 管道內(nèi)外測(cè)溫管的長(zhǎng)度。管道內(nèi)外測(cè)溫管的長(zhǎng)度。 1212121F2F1F2F1L2L1V2V1L2L2L1L 要想減小這個(gè)誤差，需要減小分子項(xiàng)，增大分母項(xiàng)，要想減小這個(gè)誤差，需要減小分子項(xiàng)，增大分母項(xiàng)，現(xiàn)在我們來(lái)討論一下誤差公式?，F(xiàn)在我們來(lái)討論一下誤差公式。 (1)(1) 為管道當(dāng)中流體與管外介質(zhì)的溫差，為了減小這個(gè)為管道當(dāng)中流體與管外介質(zhì)的溫差，為了減小這個(gè)誤差

18、應(yīng)該把露在管道外側(cè)的測(cè)溫管用保溫材料包起來(lái)，誤差應(yīng)該把露在管道外側(cè)的測(cè)溫管用保溫材料包起來(lái)，使得測(cè)溫管露出部分的溫度提高，減小熱電偶對(duì)外導(dǎo)熱使得測(cè)溫管露出部分的溫度提高，減小熱電偶對(duì)外導(dǎo)熱損失。損失。 (2)(2) 和和 要使要使 和和 增大，必定有增大，必定有 增大。增大。(3)(3) 必有必有 0310()()tttt11()ch b L1110()()th b Ltt)()(0122ttLbcth03()tt11()ch b L11()th b L11b L)(22Lbcth22b L 對(duì)管內(nèi)流體溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)溫度計(jì)的安裝通常要考慮以對(duì)管內(nèi)流體溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)溫度計(jì)的安裝通常要考慮以下幾點(diǎn)

19、：下幾點(diǎn)：1. 1. 測(cè)點(diǎn)位置要選在有代表性的地點(diǎn)，不能在溫度的死角區(qū)域；測(cè)點(diǎn)位置要選在有代表性的地點(diǎn)，不能在溫度的死角區(qū)域；2. 2. 要保證測(cè)溫元件有一定的插入深度，元件的感溫點(diǎn)應(yīng)處于管要保證測(cè)溫元件有一定的插入深度，元件的感溫點(diǎn)應(yīng)處于管道中心流速最大處。對(duì)于直徑大的管道，測(cè)溫元件可垂直插道中心流速最大處。對(duì)于直徑大的管道，測(cè)溫元件可垂直插入；為增加插入深度，可迎著流體流動(dòng)的方向斜向插入測(cè)溫入；為增加插入深度，可迎著流體流動(dòng)的方向斜向插入測(cè)溫元件；對(duì)于內(nèi)徑較小的管道，測(cè)溫元件可插入彎頭處或加裝元件；對(duì)于內(nèi)徑較小的管道，測(cè)溫元件可插入彎頭處或加裝擴(kuò)大管。圖給出了幾種常見的測(cè)溫元件安裝方式。擴(kuò)

20、大管。圖給出了幾種常見的測(cè)溫元件安裝方式。（a a）垂直安裝）垂直安裝 （b b）傾斜安裝（）傾斜安裝（c c）彎管處安裝）彎管處安裝 （d d）擴(kuò)大管安裝）擴(kuò)大管安裝 3. 3. 對(duì)于高溫管道，在測(cè)點(diǎn)引出處要加保溫材料隔熱，以減小熱對(duì)于高溫管道，在測(cè)點(diǎn)引出處要加保溫材料隔熱，以減小熱損失帶來(lái)的測(cè)量誤差。損失帶來(lái)的測(cè)量誤差。 各種測(cè)溫管裝置方案的測(cè)量誤差比較各種測(cè)溫管裝置方案的測(cè)量誤差比較 溫度計(jì)安裝在蒸汽管道不同位置上測(cè)溫的情況。該溫度計(jì)安裝在蒸汽管道不同位置上測(cè)溫的情況。該管道內(nèi)徑是管道內(nèi)徑是100100毫米，汽壓毫米，汽壓3MPa3MPa，汽溫為，汽溫為386386，流速為，流速為303

21、03535米秒。米秒。 二、二、 壁面溫度測(cè)量壁面溫度測(cè)量采用熱電偶來(lái)測(cè)量固體表面溫度采用熱電偶來(lái)測(cè)量固體表面溫度（a a）點(diǎn)接觸）點(diǎn)接觸 （2 2）面接觸）面接觸 （3 3）等溫線接觸）等溫線接觸 （4 4）分立接觸）分立接觸測(cè)量誤差不僅僅與熱電偶測(cè)量端的接觸形式有關(guān)，而且測(cè)量誤差不僅僅與熱電偶測(cè)量端的接觸形式有關(guān)，而且與被測(cè)面的導(dǎo)熱能力有關(guān)，如被測(cè)固體表面為玻璃、陶與被測(cè)面的導(dǎo)熱能力有關(guān)，如被測(cè)固體表面為玻璃、陶瓷等，它們的導(dǎo)熱性能差，這時(shí)采用（瓷等，它們的導(dǎo)熱性能差，這時(shí)采用（a a）接觸形式，）接觸形式，則誤差很大，而采用（則誤差很大，而采用（b b）接觸形式則誤差大大減小，）接觸形式則誤差大大減小，這是因?yàn)榻饘倨瑢?dǎo)熱性能好，當(dāng)金屬片有比較大的面積這是因?yàn)榻饘倨瑢?dǎo)熱性能好，當(dāng)金屬片有比較大的