工業(yè)熱電阻溫度計(jì)的選型

摘要:熱電阻溫度計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)測溫系統(tǒng)建造中最常用的溫度傳感器之一，但在不同的測溫工況下選擇什么樣的熱電阻產(chǎn)品，是技術(shù)人員需要了解的內(nèi)容。選用錯(cuò)誤或不合適類型的熱電阻可能會(huì)造成系統(tǒng)測溫不準(zhǔn)，使用壽命縮短等問題，甚至可能對(duì)生產(chǎn)場所帶來安全隱患。從測量準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性、使用環(huán)境限制、安裝空間限制等角度，考察目前已有的熱電阻溫度計(jì)產(chǎn)品，指出在熱電阻選型時(shí)需注意的要點(diǎn)，用以指導(dǎo)技術(shù)人員根據(jù)自身需求來選購合適的熱電阻溫度計(jì)。
0引言
　　工業(yè)熱電阻溫度計(jì)是利用金屬導(dǎo)體在不同溫度下的電阻值變化來反映溫度變化的測溫儀器，是目前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域測溫及控溫系統(tǒng)中最常見的溫度傳感器之一。它具有精度高，復(fù)現(xiàn)性佳，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等特點(diǎn)。尤其是在中低溫段的溫度測量，熱電阻相比熱電偶以及玻璃液體溫度計(jì)具有更加明顯的使用優(yōu)勢。熱電偶在低溫段時(shí)，自身熱電勢很小，易受到設(shè)備及環(huán)境影響;玻璃.
液體溫度計(jì)結(jié)構(gòu)脆弱，易損壞且無法實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸，因.而在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)中極少使用。鉑和銅是目前工業(yè)熱電阻最常見的材料，鎳、錳、銠等材料也有所研究。鉑電阻測量精度高，穩(wěn)定性好，可用于中性及氧化性介質(zhì)中，溫度-電阻關(guān)系呈非線性;銅電阻適用于無腐蝕介質(zhì)中，測溫范圍通常為-50℃~ 150℃，超過150℃則易被氧化，其電阻與溫度呈線性關(guān)系"。
目前，市面上工業(yè)熱電阻溫度計(jì)形式種類繁多，以滿足各類生產(chǎn)場所及實(shí)驗(yàn)室的使用需求。如何選用合適的工業(yè)熱電阻進(jìn)行測溫需經(jīng)過仔細(xì)選型，才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)可測和測準(zhǔn)兩方面要求。
1測溫范圍及精度
　　在進(jìn)行熱電阻的選型時(shí)，最優(yōu)先的是要確定測溫范圍和測溫精度要求。
　　目前，熱電阻的測溫范圍可達(dá)-200~ 850℃。以鉑電阻為例，其精度等級(jí)按標(biāo)準(zhǔn)可分為AA級(jí)，A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)，國外制造商可能會(huì)按照其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度定義，如某些Pt100鉑RTD具有1/10DIN或1/3DIN (德國標(biāo)準(zhǔn))精度等級(jí)。但需注意的是，等級(jí)與其有效測溫范圍是相對(duì)應(yīng)的。如國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG229- -2010中，明確給出A級(jí)線繞式鉑電阻的有效溫度范圍僅有-100℃C~ 450℃。因此,在選用某一等級(jí)的熱電阻時(shí),需關(guān)注其有效測溫范圍，超出有效溫度范圍的其他溫度部分，則以制造商在技術(shù)條件中給出的為準(zhǔn)。通常制造商會(huì)直接分段給出不同范圍內(nèi)的精度，如在產(chǎn)品說明中給出-50℃~ 300℃滿足A級(jí)，在300℃~ 500℃內(nèi)為B級(jí)精度。在選型中,需根據(jù)使用條件,綜合考慮所需的溫度范圍及精度/溫度允差要求，選擇合適的產(chǎn)品，不必為了追求測量范圍廣、精度高而增加工業(yè)生產(chǎn)成本。
2熱電阻接線方式的選擇
　　熱電阻溫度計(jì)在測量時(shí)，感溫端與終端顯示儀表的距離關(guān)系著引線的長短，而引線越長，引線電阻越大。如果沒有采用合理的接線方式，將會(huì)使引線電阻被引人測量結(jié)果中,從而造成測量誤差結(jié)果偏大。
工業(yè)熱電阻根據(jù)接線方式，可以分為二線制、三線制和四線制3種。
　　二線制是最簡單的接線方式，但在其測量系統(tǒng)中,熱電阻的引線電阻無法被消除，且由于引線電阻未知而使其被直接計(jì)人熱電阻的阻值中，造成溫度測量結(jié)果偏差較大。根據(jù)熱電阻的電阻率計(jì)算，即使較小的電阻測量誤差也會(huì)引人較大的溫度偏差[2，因此二線制連接方式只適用于連接導(dǎo)線短，且精度要求低的生產(chǎn)場所。
　　三線制考慮了引線電阻帶來的影響,其在二線制的基礎(chǔ)上加了一根補(bǔ)償導(dǎo)線，其補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)是假設(shè)3根引線的引線電阻及接觸電阻均相等氣。在電橋測量線路中，當(dāng)熱電阻3根引線材質(zhì)、直徑、長度等基本一致，即使3根引線的電阻差別越小時(shí)，引線電阻引人的誤差影響也越小。由于這種接線方式可以減小引線電阻的影響氣，測溫精度較二線制高，引線數(shù)量較四線制少，成本低，因而三線制是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一種接線方式，尤其是在連接導(dǎo)線較長，需兼顧測量精度與經(jīng)濟(jì)成本的場所。
　　四線制連接方式可以完全依靠測量線路消除引線電阻影響，因此對(duì)導(dǎo)線幾乎沒有要求，測得的電阻即熱電阻本身的電阻值，最終得到的也是真實(shí)的溫場溫度。它的測溫精度最高，被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室中的精度高溫度測量,作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì),通常采用的也是四線制連接方式。
 
　　總而言之，熱電阻接線方式的選擇，需綜合考慮測量性能要求及生產(chǎn)成本要求，以求達(dá)到準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性的雙重滿足。
3熱電阻結(jié)構(gòu)類型
　　熱電阻按結(jié)構(gòu)可分為線繞元件式和薄膜元件式，線繞式是目前最為常見的類型，其感溫金屬絲纏繞在某種材質(zhì)的芯體上，因此稱為線繞式;薄膜式則是將感溫金屬嵌于薄片基體上制成。目前，使用中比較常見的熱電阻探針均采用的是線繞式，通過選用不同基體、保護(hù)套管、連接線等實(shí)現(xiàn)在不同場合的應(yīng)用。薄膜式熱電阻除具有常規(guī)熱電阻的性能外，還具有體積小、電阻溫度系數(shù)高、熱容量小、熱響應(yīng)快、耐振動(dòng)、耐沖擊的特點(diǎn)，適用于安裝位置小, 需要快速響應(yīng)的測溫系統(tǒng)中，在諸如電子設(shè)備的熱測試等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但使用時(shí)，需注意薄膜式熱電阻的最大工作電流遠(yuǎn)小于線繞式，其體積小、熱容小的特點(diǎn)，使其自熱系數(shù)高于線繞式，過大的電流將會(huì)對(duì)其溫度測量帶來較大的誤差鬥。因此，通常薄膜式熱電阻產(chǎn)品一定會(huì)給出其自熱系數(shù)，使用者需關(guān)注。
4基體材質(zhì)、保護(hù)套管材質(zhì)
　　由于線繞式和薄膜式熱電阻均是將金屬絲固定于某一材質(zhì)的基體上加工而成的，因而基體材質(zhì)與熱電阻元件的整體使用性能有很大關(guān)系。有實(shí)踐表明，繞線式熱電阻受到振動(dòng)、沖擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致感溫絲變形彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而使其溫度電阻特性發(fā)生改變回。因此，某些工況下，應(yīng)選用芯體材質(zhì)具有良好抗沖擊性的熱電阻。目前，常見的芯體材質(zhì)主要有陶瓷、玻璃等，陶瓷材質(zhì)的芯體可適用于極低和極高溫度條件下，可耐熱沖擊，但是其抗振能力有限且只能在干燥的環(huán)境中使用。玻璃材質(zhì)可適應(yīng)低溫及極高溫，可耐熱沖擊,抗振性能優(yōu)于陶瓷。此外，薄膜式熱.電阻通常會(huì)選用硅片為基體材質(zhì)。
　　金屬絲如鉑絲在高溫下，容易被還原性氣氛所污染,導(dǎo)致其電阻溫度特性改變，測溫不準(zhǔn)。因此,熱電阻在制造中，需加裝套管進(jìn)行封裝保護(hù)，方可使用。套管材質(zhì)也需根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行選擇，除選與基體同材質(zhì)進(jìn)行封裝外，在酸堿等易腐蝕的環(huán)境中，還會(huì)采用不銹鋼等材質(zhì)的套管,或?qū)μ坠鼙砻孢M(jìn)行處理，提高表面光潔度，增強(qiáng)耐腐蝕性,以延長熱電阻使用壽命。薄膜式熱電阻也會(huì)通過涂保護(hù)膜等手段來增加其環(huán)境適應(yīng)性。
　　選用 何種芯體材質(zhì)以及保護(hù)套材質(zhì)，均與熱電阻溫度計(jì)的使用環(huán)境息息相關(guān)，選用合適的材質(zhì)，才能保證熱電阻使用長久。
5響應(yīng)時(shí)間
　　熱電阻插入溫場后，需經(jīng)過一定時(shí)間才能與介質(zhì)達(dá)到熱平衡，這就是熱電阻的響應(yīng)時(shí)間。尤其在帶有- -定流速的氣體或液體中,溫度往往是一個(gè)動(dòng) 態(tài)變化的過程，當(dāng)利用熱電阻進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度測量時(shí)，需尤其關(guān)注熱電阻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。有研究表明，熱電阻的響應(yīng)時(shí)間主要與熱電阻本身性質(zhì)、介質(zhì)、流速等有關(guān)，而溫度的階躍變化量對(duì)熱電阻的熱響應(yīng)時(shí)間影響并不大”。在相同使用條件下，同-熱電阻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)一致，根據(jù)介質(zhì)的不同，其模型中的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化問。因此，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)有需求的客戶在選型時(shí)，需說明測量介質(zhì)及流速等影響因素，通常廠家會(huì)給出熱電阻在某種介質(zhì)及流速狀態(tài)下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，以供參考。例如，熱電阻在1m/s流速的空氣中，達(dá)到90%響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為7s。因此，如想要快速反應(yīng)被測環(huán)境溫度變化，應(yīng)選擇溫度響應(yīng)速度快的熱電阻。
　　此外，有研究表明:響應(yīng)速度的快慢還與插入深度有關(guān)。因此，熱電阻的安裝也需注意，如果熱電阻安裝不合理，可能使其溫度響應(yīng)時(shí)間達(dá)到幾分鐘，從而導(dǎo)致測溫錯(cuò)誤鬥。在用于精密氣流測量時(shí)，廠家還會(huì)在熱電阻保護(hù)套管前端開有氣流孔，通過加工手段讓溫度感應(yīng)端實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)的測量目的。選型時(shí)，需根據(jù)測溫系統(tǒng)的響應(yīng)要求進(jìn)行選取。
6探頭長度、直徑、形狀、曲直
　　選取熱電阻探針的長度、直徑、形狀、曲直等因素,首先與熱電阻的安裝空間有關(guān)。一般認(rèn)為，熱電阻安裝后插進(jìn)被測氣體或液體的深度需大于熱電阻保護(hù)管外徑的8 ~ 10倍，除保證與被測溫場的充分接觸外，還可以盡量讓熱電阻在長度方向熱脹變形間。插入深度不足是目前實(shí)際工作現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的，是造成測溫不準(zhǔn)的最常見原因之一。
　　探頭直徑的選取除與空間有關(guān)外，還與探頭受力情況及對(duì)溫度變化的響應(yīng)要求有關(guān)。在帶有一定流速的流體中,探針會(huì)受到一定的側(cè)向力，探頭直徑需保證其在長期受力情況下不發(fā)生折損。但是越細(xì)的探頭靈敏度越高，在對(duì)響應(yīng)速度有要求的測溫環(huán)境中，探針直徑越小越好。因此，選型中需綜合考慮這兩方面因素。此外，探針的形狀設(shè)計(jì)有時(shí)也與這兩個(gè)因索相關(guān)，如外殼設(shè)計(jì)為階梯形或錐形，這種在探針尖端將直徑減小的操作就是為了在滿足整體強(qiáng)度要求的情況下，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。
　　在彎曲的安裝空間中，目前很多制造商都直接生產(chǎn)有90°彎曲的貨架產(chǎn)品，有些制造商還生產(chǎn)有可彎曲探頭的熱電阻探針，但其對(duì)可彎曲的長度范圍、角度以及彎曲的最小半徑均有限制，使用者應(yīng)按要求進(jìn)行使用。切勿對(duì)不可彎折的探針生掰硬扭，否則極易造成熱電阻外保護(hù)殼斷裂(如圖2所示),失去保護(hù)功能。
 
7其他選型要點(diǎn)
　　除了以上要點(diǎn)，熱電阻的選型還有其他需要考慮的方面，但基本是可以通過要求廠家選配或后期改造實(shí)現(xiàn)的。例如，熱電阻探針的安裝接口，可根據(jù)整體設(shè)備的建造,選用螺紋連接、法蘭連接等連接方式;如熱電阻連接線的接頭采用直接裸端導(dǎo)線、音頻連接器、鏟形接線片, OIP .連接器等多種連接形式。
8結(jié)論
　　在熱電阻的選型中，使用目的、使用場所、使用環(huán)境等是決定著最終使用何種產(chǎn)品的主要因素。測溫范圍和精度要求是選型熱電阻時(shí)首要考慮且必須達(dá)到的要求，是選型最基本的考慮點(diǎn);三線制熱電阻是目前工業(yè)生產(chǎn)場所最常采用的線制，而四線制是實(shí)驗(yàn)室里最常用的熱電阻線制;薄膜式熱電阻的使用場所限制比較多，因此工業(yè)上線繞式熱電阻產(chǎn)品更多，使用范圍更廣;基體材質(zhì)、保護(hù)套管材質(zhì)、熱電阻響應(yīng)時(shí)間、探頭幾何尺寸等都是與使用條件關(guān)系密切的要素，須按需選擇。實(shí)際上，面對(duì)如此繁多的熱電阻產(chǎn)品，技術(shù)人員首先應(yīng)該做的就是明確自己的需求，需求越全面仔細(xì)，越容易定位目標(biāo)產(chǎn)品，但反之，需求越簡單，可供選擇的產(chǎn)品也越多。
　　熱電阻本身的選型是影響整個(gè)測量系統(tǒng)使用性能的最重要-環(huán)，但并非唯一一環(huán)。熱電阻的安裝、接線端的連接質(zhì)量，測溫電路的設(shè)計(jì)以及外引線的材質(zhì)、絕緣處理等都會(huì)影響整個(gè)溫度測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，有時(shí)甚至?xí)绊懮a(chǎn)安全"。因此，整個(gè)測溫系統(tǒng)的最終使用效果是-一個(gè)各部件、各環(huán)節(jié)全面協(xié)調(diào)的結(jié)果，需要技術(shù)人員的全面了解和重視。