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针对热电阻的工作原理应用详谈

来源:发表时间:2019-01-04


      温度的变化导致材料的电阻改变。测量电阻变化以推断温度变化。有两种类型的热电阻测量设备:热电阻和热敏电阻金莎娱乐官方网站热电阻基本上是缠绕在线圈中的长的小直径金属线或基板上的蚀刻网格,非常像应变计。铂是最常用于热电阻的金属。

工作原理

      金莎娱乐官方网站热电阻的工作原理是,金属的电阻随着温度的变化以基本线性和可重复的方式可预测地变化。热电阻具有正温度系数(电阻随温度增加)。元件在基础温度下的电阻与元件的长度和横截面积的倒数成比例。设计为测量带有热电阻温度的典型电路实际测量中的变化性的热电阻,然后将其用于计算温度变化的。热电阻的电阻随着温度的升高而增加,正如应变计的电阻随着应变的增加而增加一样。

桥梁电路建设

      下图显示了一个基本电桥电路,它由三个已知电阻R1,R2和R3(可变),一个未知可变电阻RX(热电阻),一个电压源和一个灵敏电流表组成。

      电阻器R1和R2是电桥的比率臂。它们将电流流过电流表的两个可变电阻进行比率。R3是一个可变电阻,称为标准臂,可调节以匹配未知电阻。传感电流表可视地显示流过电桥电路的电流。对电路的分析表明,当调节R3以使电流表读数为零时,电桥电路两臂的电阻相同。桥梁两臂之间的阻力关系可表示为

      由于R1,R2和R3的值是已知值,唯一未知的是Rx。在电流表零电流条件期间,可以为电桥计算Rx的值。知道该电阻值为校准连接到电桥电路的仪器提供了基线点。未知阻力Rx由下式给出

热电阻桥电路操作

      一个简单的电路是四分之一桥惠斯通电桥电路,这里称为双线热电阻电桥 电路。

      从桥接到热电阻本身的一根导线(称为引线)的电阻。应变计电路无需考虑引线电阻,因为R 引线始终保持恒定。然而,对于热电阻电路,引线的某些部分暴露于变化的温度。由于金属线的电阻随温度变化,R 导线随T变化,这可能导致测量误差。这个错误可能非常重要 - 引线电阻的变化可能会被误解为热电阻电阻的变化。此外,在上面所示的双线热电阻电桥电路中有两根引线,它使误差加倍。设计用于消除引线电阻误差的巧妙电路称为三线热电阻桥电路。三线热电阻桥接电路如下所示。    

  

      它仍然是四分之一桥接电路,因为四个桥式电阻器中只有一个已被热电阻取代。然而,其中一根引线已经放置在桥的R 2腿而不是R 3腿上。为了分析该电路,假设R 1 = R 4,并且当电桥平衡时,R 2 = R 3。请详细说明惠斯通电桥的通用公式:

      注意,R 3和R 2在上式中具有相反的符号。因此,如果支路2(顶部)和支路3(底部)中的引线电阻相同,则引线电阻相互抵消,对输出电压没有净影响,从而消除了误差。

第三引线电阻,中线的R 引线怎么样?那么,由于V o是用几乎无限大的阻抗器件测量的,所以中间引线没有电流流动,所以它的电阻不会影响任何东西!以下重新绘制的等效电路可以帮助说明为什么引线电阻抵消:

      在上图中,很明显,如果R 导联在桥的腿2和腿3中均匀变化,则其效果抵消。

热电阻材料与结构

      金莎娱乐官方网站热电阻的作用有点像电传感器,通过测量电阻将温度变化转换为电压信号。最适合用作热电阻传感器的金属是纯金属或某些质量均匀的合金,随着温度的升高,电阻会增加,相反,随着温度的降低,电阻也会降低。只有少数金属具有热电阻元件所需的特性。热电阻传感器中常用的材料是BALCO线,铜线,铂金。

      使用BALCO电线构建的传感器是一种退火电阻合金,其标称成分为70%镍和30%铁。BALCO 500欧姆电阻元件提供-40至250°的相对线性电阻变化。传感器是一种低质量设备,可以快速响应温度变化。当在BALCO元件上测量1000欧姆时,温度约为70°F。随着温度的升高,电阻每1°F变化2.2欧姆。这被称为电阻温度曲线系数(TCR曲线)。在BALCO中,由于电阻与温度有直接关系,即随着温度的升高,电阻成比例地增加。BALCO通常的温度测量范围为-40°至240°F。

      铂金 -使用铂材料的热电阻传感器具有线性响应并且随时间稳定。在一些应用中,使用短长度的导线来提供100欧姆的标称电阻。但是,在电阻值较低的情况下,元件自发热和传感器引线电阻会影响温度指示。在元件的少量电阻变化的情况下,必须使用额外的放大来增加信号电平。绝缘基座上的铂膜传感器可在74°时提供高达1000欧姆的电阻。凭借这种高电阻,传感器相对不受自加热的影响,并能快速响应温度变化。这种类型的热电阻元件很常见。

      这些金属最适合热电阻应用,因为它们具有线性电阻 - 温度特性(如下图所示),它们的高电阻系数以及它们承受反复温度循环的能力。电阻系数是每度温度变化的电阻变化,通常表示为每度温度的百分比。所使用的材料必须能够被拉成细线,以便可以容易地构造元件。

      铜和镍版本在较低的温度范围内运行,并且比铂更便宜。铂金是最通用的材料,因为它具有宽温度范围(-200°C至850°C),优异的重复性,稳定性以及耐化学品和腐蚀性。


      热电阻元件通常是长的,类似弹簧的导线,由绝缘体包围并封闭在金属护套中。下图显示了热电阻的内部结构。这种特殊设计的铂元素被瓷绝缘体包围。绝缘体可防止电线和金属护套之间发生短路。Inconel是一种镍、铁、铬合金,由于其固有的耐腐蚀性,通常用于制造热电阻护套。当置于液体或气体介质中时,Inconel护套迅速达到介质的温度。温度的变化将导致铂丝加热或冷却,从而导致电阻成比例变化。

      优点:线性电阻随温度变化,稳定性好,工作温度范围宽,可在很宽的温度范围内互换

      缺点:电阻随温度变化小,响应速度可能较慢,需要自发热,变送器或引线电阻补偿需要三到四根引线,需要外部电路电源

其他事实

      热电阻通常用于检测管道和管道中的空气和液体温度,以及室温传感器。热电阻元件的电阻随温度而变化。一些元件在宽温度范围内表现出大的电阻变化,线性变化或两者。传感器元件上的变化电压决定了传感器的电阻。为此目的供电可能导致元件轻微加热,并可能导致温度测量不准确。降低电源电流或使用具有较高标称电阻的元件可以最大限度地降低自热效应。      一些热电阻元件电阻低至100欧姆。在这些情况下,连接热电阻和控制器的引线的电阻可能显着增加连接的热电阻的总电阻,并且可能在温度的测量中产生误差。例如,距离控制器25英尺的传感器具有25 x 2 = 50英尺的铜控制线。如果控制线的直流电阻为6.39欧姆/英尺,则50英尺的导线应具有0.319欧姆的总直流电阻。如果传感器是100欧姆铂金传感器,温度系数为0.69欧姆/华氏度,那么50英尺的电线将引入0.46华氏度的误差。如果传感器是3000欧姆铂金传感器,其温度系数为每度F为4.8欧姆,50英尺的导线将引入0.066华氏度的误差。因此传感器元件的电阻越小,误差的可能性越高。通过调整控制器上的校准设置可以消除重大错误,或者,如果控制器是针对它设计的,则可以将第三根导线连接到传感器并连接到专门的补偿电路,该补偿电路旨在消除测量中的引线长度影响。


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