2.3.1 热电阻温度计

2.3.1 热电阻温度计

在测量温度为600~1 300℃的范围内,热电偶是比较理想的,但对于中低温的测量,热电偶则有一定的局限性,这是因为热电偶在中低温区域输出热电势很小,对配用的仪表质量要求较高,如铂铑-铂热电偶在100℃时的热电势仅为0.64 mV,这样小的热电势对电子电位差计的抗干扰能力要求都很高,仪表的维修也困难。此外,热电偶冷端温度补偿问题,在中低温范围内的影响比较突出,一方面,采取温度补偿必然增加工作上的不便;另一方面,冷端温度如果不能得到全补偿,其影响就较大,加之在低温时,热电特性的线性度较差,在进行温度调节时也须采取一定措施,这些都是热电偶在测温时的不足之处。因此,工业上在测量低温时通常采用另一种测量元件,即热电阻。热电阻温度计的测量范围为-200~850℃。

热电阻温度计的最大优点:测量精度高,无冷端补偿问题,特别适用于低温测量,所以在工业上得到广泛应用。铂电阻温度计可测到-200℃;铟电阻温度计可测到3.4 K的低温。

热电阻温度计的缺点:不能测量太高的温度;需外电源供电,因此使用受到限制;连接导线的电阻易受环境温度的影响,会产生测量误差。

1)热电阻测温原理

导体(或半导体)的电阻值是随着温度的变化而变化的,一般来说,它们之间有如下关系,即

通常用电阻温度系数α来描述电阻值随温度变化而变化的这一特性,其定义是:在某一温度间隔内,温度变化1℃时的电阻相对变化量,单位为1/℃。根据定义,α可用下式表示:

金属导体的电阻一般随温度升高而增大,α为正值,称为正的电阻温度系数。用于测温的半导体材料的α为负值,即具有负的电阻温度系数。各种材料的α值并不相同,对于纯金属而言,一般为0.38%~0.68%。它的大小与导体本身的纯度有关,α越大,导体材料的纯度越高。通常用电阻比R100/R0来表示材料的纯度,R100代表在100℃时的电阻值,R0代表在0℃时的电阻值。而半导体的电阻值却随着温度的升高而减少,在20℃左右,温度每变化1℃,其电阻值变化-6%~-2%。若能设法测出电阻值的变化,就可相应地确定温度的变化,从而达到测温的目的。电阻温度计就是利用导体(或半导体)的电阻值随温度变化的这一特性来进行温度测量的,即把温度变化所引起的导体电阻变化,通过测量桥路转换成电压信号,然后送入显示仪表以指示或记录被测温度。

由上述可知,热电阻温度计和热电偶温度计的测量原理是不同的。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转换为热电势的变化来测量温度的,而热电阻温度计则是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。

热电阻温度计适用于测量-200~850℃低温范围内的液体、气体、蒸汽及固体表面温度。它和热电偶温度计一样,也具有远传、自动记录和多点测量等优点。此外,热电阻温度计的输出信号大,测量准确,所以在1990国际温标(ITS-90)中规定:13.803 3 K(-259.346 7℃)~961.78℃温区内以铂电阻温度计作为基准器。

2)热电阻的材料和要求

热电阻测温的机理是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的性质,但不是所有导体或半导体材料都可作为测量元件,还得从其他方面的性能来考虑和选择,对热电阻材料的要求有:

①物理、化学性质稳定,测量精度高,抗腐蚀,使用寿命长。

②电阻温度系数要大,即灵敏度要高。

③电阻率要高,以使热电阻的体积较小,减小测温的时间常数。

④热容量要小,使电阻体热惰性小,反应较灵敏。

⑤线性好,即电阻与温度关系呈线性或为平滑曲线。

⑥易于加工,价格便宜,降低制造成本。

⑦复现性好,便于成批生产和部件互换。