工業(yè)熱電阻溫度計的選型

摘要:熱電阻溫度計是工業(yè)生產(chǎn)測溫系統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)人員需要了解的內容。選用錯誤或不合適類(lèi)型的熱電阻可能會(huì )造成系統測溫不準，使用壽命縮短等問(wèn)題，甚至可能對生產(chǎn)場(chǎng)所帶來(lái)安全隱患。從測量準確性、經(jīng)濟性、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產(chǎn)品，指出在熱電阻選型時(shí)需注意的要點(diǎn)，用以指導技術(shù)人員根據自身需求來(lái)選購合適的熱電阻溫度計。
0引言
　　工業(yè)熱電阻溫度計是利用金屬導體在不同溫度下的電阻值變化來(lái)反映溫度變化的測溫儀器，是目前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域測溫及控溫系統中最常見(jiàn)的溫度傳感器之一。它具有精度高，復現性佳，穩定性好，結構簡(jiǎn)單，使用壽命長(cháng)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，易受到設備及環(huán)境影響;玻璃.
液體溫度計結構脆弱，易損壞且無(wú)法實(shí)現電信號傳輸，因.而在現代工業(yè)自動(dòng)化監測系統中極少使用。鉑和銅是目前工業(yè)熱電阻最常見(jiàn)的材料，鎳、錳、銠等材料也有所研究。鉑電阻測量精度高，穩定性好，可用于中性及氧化性介質(zhì)中，溫度-電阻關(guān)系呈非線(xiàn)性;銅電阻適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)中，測溫范圍通常為-50℃~ 150℃，超過(guò)150℃則易被氧化，其電阻與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系"。
目前，市面上工業(yè)熱電阻溫度計形式種類(lèi)繁多，以滿(mǎn)足各類(lèi)生產(chǎn)場(chǎng)所及實(shí)驗室的使用需求。如何選用合適的工業(yè)熱電阻進(jìn)行測溫需經(jīng)過(guò)仔細選型，才能同時(shí)實(shí)現可測和測準兩方面要求。
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-200~ 850℃。以鉑電阻為例，其精度等級按標準可分為AA級，A級、B級和C級，國外制造商可能會(huì )按照其他標準進(jìn)行精度定義，如某些Pt100鉑RTD具有1/10DIN或1/3DIN (德國標準)精度等級。但需注意的是，等級與其有效測溫范圍是相對應的。如國家計量檢定規程JJG229- -2010中，明確給出A級線(xiàn)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。通常制造商會(huì )直接分段給出不同范圍內的精度，如在產(chǎn)品說(shuō)明中給出-50℃~ 300℃滿(mǎn)足A級，在300℃~ 500℃內為B級精度。在選型中,需根據使用條件,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(xiàn)方式的選擇
　　熱電阻溫度計在測量時(shí)，感溫端與終端顯示儀表的距離關(guān)系著(zhù)引線(xiàn)的長(cháng)短，而引線(xiàn)越長(cháng)，引線(xiàn)電阻越大。如果沒(méi)有采用合理的接線(xiàn)方式，將會(huì )使引線(xiàn)電阻被引人測量結果中,從而造成測量誤差結果偏大。
工業(yè)熱電阻根據接線(xiàn)方式，可以分為二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制3種。
　　二線(xiàn)制是最簡(jiǎn)單的接線(xiàn)方式，但在其測量系統中,熱電阻的引線(xiàn)電阻無(wú)法被消除，且由于引線(xiàn)電阻未知而使其被直接計人熱電阻的阻值中，造成溫度測量結果偏差較大。根據熱電阻的電阻率計算，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(xiàn)制連接方式只適用于連接導線(xiàn)短，且精度要求低的生產(chǎn)場(chǎng)所。
　　三線(xiàn)制考慮了引線(xiàn)電阻帶來(lái)的影響,其在二線(xiàn)制的基礎上加了一根補償導線(xiàn)，其補償的依據是假設3根引線(xiàn)的引線(xiàn)電阻及接觸電阻均相等氣。在電橋測量線(xiàn)路中，當熱電阻3根引線(xiàn)材質(zhì)、直徑、長(cháng)度等基本一致，即使3根引線(xiàn)的電阻差別越小時(shí)，引線(xiàn)電阻引人的誤差影響也越小。由于這種接線(xiàn)方式可以減小引線(xiàn)電阻的影響氣，測溫精度較二線(xiàn)制高，引線(xiàn)數量較四線(xiàn)制少，成本低，因而三線(xiàn)制是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的一種接線(xiàn)方式，尤其是在連接導線(xiàn)較長(cháng)，需兼顧測量精度與經(jīng)濟成本的場(chǎng)所。
　　四線(xiàn)制連接方式可以完全依靠測量線(xiàn)路消除引線(xiàn)電阻影響，因此對導線(xiàn)幾乎沒(méi)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(chǎng)溫度。它的測溫精度最高，被廣泛用于實(shí)驗室中的精度高溫度測量,作為計量標準器的標準鉑電阻溫度計,通常采用的也是四線(xiàn)制連接方式。
 
　　總而言之，熱電阻接線(xiàn)方式的選擇，需綜合考慮測量性能要求及生產(chǎn)成本要求，以求達到準確性和經(jīng)濟性的雙重滿(mǎn)足。
3熱電阻結構類(lèi)型
　　熱電阻按結構可分為線(xiàn)繞元件式和薄膜元件式，線(xiàn)繞式是目前最為常見(jiàn)的類(lèi)型，其感溫金屬絲纏繞在某種材質(zhì)的芯體上，因此稱(chēng)為線(xiàn)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(jiàn)的熱電阻探針均采用的是線(xiàn)繞式，通過(guò)選用不同基體、保護套管、連接線(xiàn)等實(shí)現在不同場(chǎng)合的應用。薄膜式熱電阻除具有常規熱電阻的性能外，還具有體積小、電阻溫度系數高、熱容量小、熱響應快、耐振動(dòng)、耐沖擊的特點(diǎn)，適用于安裝位置小, 需要快速響應的測溫系統中，在諸如電子設備的熱測試等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。但使用時(shí)，需注意薄膜式熱電阻的最大工作電流遠小于線(xiàn)繞式，其體積小、熱容小的特點(diǎn)，使其自熱系數高于線(xiàn)繞式，過(guò)大的電流將會(huì )對其溫度測量帶來(lái)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，使用者需關(guān)注。
4基體材質(zhì)、保護套管材質(zhì)
　　由于線(xiàn)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(xiàn)式熱電阻受到振動(dòng)、沖擊時(shí)，會(huì )導致感溫絲變形彎曲而產(chǎn)生應力，進(jìn)而使其溫度電阻特性發(fā)生改變回。因此，某些工況下，應選用芯體材質(zhì)具有良好抗沖擊性的熱電阻。目前，常見(jiàn)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,導致其電阻溫度特性改變，測溫不準。因此,熱電阻在制造中，需加裝套管進(jìn)行封裝保護，方可使用。套管材質(zhì)也需根據使用環(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,或對套管表面進(jìn)行處理，提高表面光潔度，增強耐腐蝕性,以延長(cháng)熱電阻使用壽命。薄膜式熱電阻也會(huì )通過(guò)涂保護膜等手段來(lái)增加其環(huán)境適應性。
　　選用 何種芯體材質(zhì)以及保護套材質(zhì)，均與熱電阻溫度計的使用環(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(cháng)久。
5響應時(shí)間
　　熱電阻插入溫場(chǎng)后，需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能與介質(zhì)達到熱平衡，這就是熱電阻的響應時(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(guò)程，當利用熱電阻進(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)響應特性。有研究表明，熱電阻的響應時(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熱電阻的熱響應時(shí)間影響并不大”。在相同使用條件下，同-熱電阻的動(dòng)態(tài)響應特性數學(xué)模型結構一致，根據介質(zhì)的不同，其模型中的參數會(huì )發(fā)生變化問(wèn)。因此，對動(dòng)態(tài)響應有需求的客戶(hù)在選型時(shí)，需說(shuō)明測量介質(zhì)及流速等影響因素，通常廠(chǎng)家會(huì )給出熱電阻在某種介質(zhì)及流速狀態(tài)下的響應數據，以供參考。例如，熱電阻在1m/s流速的空氣中，達到90%響應的響應時(shí)間為7s。因此，如想要快速反應被測環(huán)境溫度變化，應選擇溫度響應速度快的熱電阻。
　　此外，有研究表明:響應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，可能使其溫度響應時(shí)間達到幾分鐘，從而導致測溫錯誤鬥。在用于精密氣流測量時(shí)，廠(chǎng)家還會(huì )在熱電阻保護套管前端開(kāi)有氣流孔，通過(guò)加工手段讓溫度感應端實(shí)現更快、更準的測量目的。選型時(shí)，需根據測溫系統的響應要求進(jìn)行選取。
6探頭長(cháng)度、直徑、形狀、曲直
　　選取熱電阻探針的長(cháng)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管外徑的8 ~ 10倍，除保證與被測溫場(chǎng)的充分接觸外，還可以盡量讓熱電阻在長(cháng)度方向熱脹變形間。插入深度不足是目前實(shí)際工作現場(chǎng)發(fā)現的，是造成測溫不準的最常見(jiàn)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溫度變化的響應要求有關(guān)。在帶有一定流速的流體中,探針會(huì )受到一定的側向力，探頭直徑需保證其在長(cháng)期受力情況下不發(fā)生折損。但是越細的探頭靈敏度越高，在對響應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，探針的形狀設計有時(shí)也與這兩個(gè)因索相關(guān)，如外殼設計為階梯形或錐形，這種在探針尖端將直徑減小的操作就是為了在滿(mǎn)足整體強度要求的情況下，實(shí)現快速響應。
　　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，但其對可彎曲的長(cháng)度范圍、角度以及彎曲的最小半徑均有限制，使用者應按要求進(jìn)行使用。切勿對不可彎折的探針生掰硬扭，否則極易造成熱電阻外保護殼斷裂(如圖2所示),失去保護功能。
 
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(guò)要求廠(chǎng)家選配或后期改造實(shí)現的。例如，熱電阻探針的安裝接口，可根據整體設備的建造,選用螺紋連接、法蘭連接等連接方式;如熱電阻連接線(xiàn)的接頭采用直接裸端導線(xiàn)、音頻連接器、鏟形接線(xiàn)片, OIP .連接器等多種連接形式。
8結論
　　在熱電阻的選型中，使用目的、使用場(chǎng)所、使用環(huán)境等是決定著(zhù)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)首要考慮且必須達到的要求，是選型最基本的考慮點(diǎn);三線(xiàn)制熱電阻是目前工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所最常采用的線(xiàn)制，而四線(xiàn)制是實(shí)驗室里最常用的熱電阻線(xiàn)制;薄膜式熱電阻的使用場(chǎng)所限制比較多，因此工業(yè)上線(xiàn)繞式熱電阻產(chǎn)品更多，使用范圍更廣;基體材質(zhì)、保護套管材質(zhì)、熱電阻響應時(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，面對如此繁多的熱電阻產(chǎn)品，技術(shù)人員首先應該做的就是明確自己的需求，需求越全面仔細，越容易定位目標產(chǎn)品，但反之，需求越簡(jiǎn)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(xiàn)端的連接質(zhì)量，測溫電路的設計以及外引線(xiàn)的材質(zhì)、絕緣處理等都會(huì )影響整個(gè)溫度測量系統的準確性，有時(shí)甚至會(huì )影響生產(chǎn)安全"。因此，整個(gè)測溫系統的最終使用效果是-一個(gè)各部件、各環(huán)節全面協(xié)調的結果，需要技術(shù)人員的全面了解和重視。