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针对热电阻温度传感器的基础常识全面讲解

来源:发表时间:2019-02-19

   金莎娱乐官方网站的热电阻温度传感器是用于各种工业应用中的温度测量的常用设备。在本文中,金莎娱乐官方网站的小编将针对热电阻温度传感器的基础常识全面为您讲解。

    首字母缩略词“热电阻”代表“电阻温度检测器”。通常,热电阻包含铂,镍或铜线,因为这些材料具有正温度系数。这意味着温度升高会导致电阻增加 - 然后使用这种电阻变化来检测和测量温度变化。

    白金热电阻

    铂热电阻是工业应用中最常用的热电阻类型。这是因为铂具有优异的耐腐蚀性,优异的长期稳定性,并且可以测量宽范围的温度(-200 ... + 850°C)。

    镍热电阻

    镍热电阻比铂便宜,并且具有良好的耐腐蚀性。然而,随着时间的推移,镍的老化速度越来越快镍的测量范围仅限于-80 ... + 260°C。

    铜热电阻

    铜热电阻具有最佳的三种热电阻类型的温度线性度,铜是一种低成本材料。但是,铜在较高温度下会氧化。铜的测量范围仅限于-200 ... + 260°C。


    如何构建热电阻

    大多数热电阻采用以下三种方式之一构建:绕线热电阻,线圈元件热电阻和薄膜热电阻。

 


    绕线热电阻

    在绕线热电阻中,电阻丝缠绕在非导电芯上,该芯通常由陶瓷制成。传感器制造商仔细修剪电阻丝的长度,以达到0°C时的指定电阻。这被称为“R0”电阻。

    接下来,将引线连接到电阻丝,然后在电线上施加玻璃或陶瓷涂层以进行保护。随着温度升高,电阻丝的长度略有增加。在设计中必须小心以确保电阻丝在温度升高时不会扭曲或以其他方式变形。这是因为机械应变导致导线电阻的变化。

    校准和标准实验室使用的实验室级热电阻通过在非导电支撑结构周围松散缠绕电阻丝来消除这种误差源。这种类型的热电阻可以非常精确,但是很脆弱,不适合大多数工业应用。


    盘绕元件热电阻

    在线圈元件热电阻中,电阻线被卷成小线圈,其松散地配合成陶瓷形式,然后填充有非导电粉末。电阻丝随温度变化自由膨胀和收缩,使机械应变引起的误差最小化。粉末增加了传递到线圈中的热量,从而改善了响应时间。线圈元件热电阻通常由金属护套保护并用于工业应用。

    薄膜热电阻

    薄膜热电阻是批量生产的,成本低于其他热电阻类型。它们更小,并且具有比其他应用更快的响应时间,这在许多应用中是希望的。它们是通过在陶瓷基底上沉积薄的铂金路径制成的。

    制造商通过用激光束打开通路中的平行分流器来调节0°C时的电阻。打开的分流越多,0°C时的阻力越大。薄膜热电阻不如其他类型准确,因为:热电阻不能像其他类型那样精确调节。陶瓷基底和铂涂层的膨胀率略有不同。这会在较高温度下产生应变误差。由于薄膜热电阻较小,热电阻激励电流会因热电阻自热而导致稍高的误差。

    热电阻电阻比

    术语“电阻比”描述了当热电阻温度从0℃变化到+ 100℃时温度与电阻的平均斜率。阻力比的表达式为:


    哪里:

    R100 = 热电阻在100°C时的电阻。

    R0 = 0°C时的热电阻电阻。

    电阻比受用于制造热电阻的金属的类型和纯度的影响。通常,具有高R0值和高电阻比的热电阻更容易精确测量,但电阻线中使用的金属的其他特性仍然影响热电阻的固有精度。


    工业应用中的铂热电阻通常符合IEC 60751标准。这些热电阻的电阻比为(138.5Ω - 100Ω)/100Ω=0.385Ω/°C。在典型的工业应用中,这种类型的热电阻通过将其插入不锈钢护套中来保护。

    实验室级热电阻标准使用更高纯度的铂,电阻比更高:(139.2Ω - 100Ω)/100Ω=0.392Ω/°C。在高于+ 670°C的温度下,从不锈钢探针释放的金属离子将污染高纯度铂,从而改变其电阻比。因此,这些热电阻由石英玻璃或铂制成的探针保护。这些探针材料在高温下保持惰性,因此热电阻保持未被污染。

    符合DIN 43760的镍热电阻的电阻比为(161.7805Ω - 100Ω)/100Ω=0.618Ω/°C。美国常用的镍热电阻的电阻比为(200.64Ω - 120Ω)/120Ω=0.672Ω/°C(如上图所示)。

    铜热电阻 [1]可提供R0 =9.035Ω或100Ω。两种类型的电阻比为0.427:

    (12.897 - 9.035)/9.035 = 0.427 / °C.

    (142.7 –100)/100 = 0.427 / °C.

    使用镍或铜热电阻的好处

    镍在0°C时产生高电阻并具有高电阻比,使得这种灵敏的热电阻易于测量。这些品质还可以最大限度地减少由于引线电阻引对于热电阻,由引线电阻引起的近似误差为:

    引线电阻/(R100-R0)x 0.01

    例如:

    2线镍热电阻测量风道温度。每根引线的电阻为0.25Ω,总引线电阻为0.5Ω。因此,引线电阻引起的误差可以如下计算:0.5Ω/(161.78-100)×0.01 = 0.81℃。这对于许多应用来说足够接近。为了比较,以下是具有相同引线电阻的2线铂热电阻的数字:0.5Ω/(138.5  -  100)x 0.01 = 1.3°C。

    由于镍热电阻非常敏感,低成本,低精度的发射器可以以可接受的精度测量热电阻。镍热电阻存在于HVAC和其他价格敏感的应用中。

    铜热电阻具有与电动机和发电机中使用的铜绕组相同的热膨胀率和电磁滞后。由于这些原因,铜热电阻有时用于测量绕组温度。铜还具有极其线性的温度与电阻的关系。因此,可以精确地测量窄的温度跨度而无需额外的线性化。

    例如:

    Cu100 热电阻在0°C时产生100Ω电阻,在100°C时产生142.743Ω电阻。线性外推法给出了50°C时的理论电阻:(R100  -  R0)/ 2 + R0=(142.743  -  100)/ 2 + 100 =121.3715Ω

    根据公布的电阻与温度表,热电阻在50°C时产生121.3715Ω的电阻,因此热电阻在0 ... + 100°C之间在功能上呈线性。

    除非测量宽跨度,否则铜的非线性不会变得明显。例如,如果测量0 ... + 200°C,线性外推法给出100°C时的理论电阻为(185.675  -  100)/ 2 + 100 =142.838Ω。然而,根据表格,100°C时的热电阻电阻为142.743Ω。相差+0.095Ω,单位:0.095Ω/0.427Ω/度= + 0.222°C的误差。

    热电阻容差

    大多数传感器制造商生产的铂热电阻的精度水平符合IEC 60751或ASTM E1137 热电阻标准。

    IEC 60751标准定义了四种公差等级:AA,A,B和C类.ASTM E1137标准定义了两种公差等级:A级和B级。


    请注意,IEC 60751规定了每个等级的最高温度范围。例如,配备有盘绕热电阻元件的A类传感器必须保持-100 ... + 450°C的规定公差。在此温度范围之外操作时,传感器精度可能默认为B级。

符合ASTM E1137 A级或B级公差的传感器必须保持-200 ... + 650°C的规定公差。此表显示了每个类别和热电阻等级的计算公差。请注意,C类热电阻在600°C时具有±6.6°C的宽容差。大多数工业应用要求热电阻具有B级或更好的容差。


    下图显示了符合IEC60751的热电阻容差。您可以看到热电阻在0°C时最准确,并且当温度变得比0°C更热或更冷时表现出更大的误差。


    许多传感器制造商都提供优于AA级公差的热电阻。这些高精度热电阻的容差通常被描述为B类容差的一部分。在下图中,“1/5 B类”热电阻在-30 ... 150°C之间的公差仅为±(0.06 + 0.001 | t |)。该容差比B类热电阻好五倍。


    Callendar Van Dusen方程式

    Callendar van Dusen方程描述了工业铂热电阻的温度与电阻的关系。有两个Callendar van Dusen方程式:

    对于<0°C的温度,给定温度下的热电阻电阻为:Rt = R0 [1 + At +Bt2+ C(t  -  100)t3]

    对于≥0°C的温度,给定温度下的热电阻电阻为:Rt = R0(1 + At +Bt2)

    系数A,B,C和α,δ,β对于每个热电阻是唯一的。以下值适用于符合IEC 60751和ASTM E1137标准的热电阻:

    A = 3.9083 x 10-3

    B = -5.775×10-7

    C = -4.183×10-12

    α= 3.85 x 10-3 *

    β= 1.5℃

    δ= 0.1086

    *“α”是“Alpha”常数。 Alpha是阻力比/ 100:α=(R100-R0)/(100×R0)。

    符合IEC 60751的Platinum 热电阻的alpha是:(138.5  -  100)/(100 x 100)= 0.00385

    镍热电阻的alpha值为:0.672 / 100 = 0.00672。

    铜热电阻的alpha值为:0.427 / 100 = 0.00427。

    热电阻表征

    即使是高质量的热电阻也不能完全符合IEC 60751 / ASTM E1137 R:T曲线。为了进一步提高测量精度,校准实验室可以“表征”热电阻。这是通过仔细测量几个不同温度下的热电阻电阻,然后使用该数据得出α,δ,β和A,B和C系数来完成的。


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