熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測(cè)量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合,這種傳感器比較適用。
熱電阻傳感器具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測(cè)量-200℃~+500℃范圍內(nèi)的溫度。熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。
熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應(yīng)用很多的是鉑和銅,此外,現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
一、熱電阻傳感器分類熱電阻傳感器按不同的分類方式可以分為多種。
按材料分為2種：熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類,前者簡(jiǎn)稱熱電阻,后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。
按結(jié)構(gòu)分為3種：普通型熱電阻、鎧裝熱電阻、薄膜熱電阻。
按用途分：工業(yè)用熱電阻、精密標(biāo)準(zhǔn)電阻。
ntc熱電阻傳感器:該類傳感器為負(fù)溫度系數(shù)傳感器,即,傳感器阻值隨溫度的升高而減小;
ptc熱電阻傳感器:該類傳感器為正溫度系數(shù)傳感器,即,傳感器阻值隨溫度的升高而增大。
以下是按照類型來介紹熱電阻傳感器。
1.金屬熱電阻傳感器目前較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料是鉑、銅、鎳、鐵和銠鐵合金等,而常用的是鉑、銅,他們的電阻溫度系數(shù)在范圍內(nèi)。作為測(cè)溫用的熱電阻材料,希望電阻溫度系數(shù)要大,以提高熱電阻的靈敏度;電阻率盡可能大,以便減小電阻體尺寸;熱容量要小,以便提高熱電阻的響應(yīng)速度;在測(cè)量范圍內(nèi),應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能;電阻與溫度的關(guān)系很好接近于線性;應(yīng)有良好的可加工性,且價(jià)格便宜。在鉑、銅中,鉑的性能很好,采用特殊的結(jié)構(gòu)可以制成標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì),它的適用范圍為;銅電阻價(jià)廉并且線性較好,但溫度高易氧化,故只適用于溫度較低的環(huán)境中,目前已逐漸被鉑電阻所取代。
2.鉑熱電阻鉑材料的優(yōu)點(diǎn)為:物理、化學(xué)性能極為穩(wěn)定尤其是耐氧化能力很強(qiáng),并且在很寬的溫度范圍內(nèi)(1200℃以下)均可保持上述特性;易于提純,復(fù)制性好,有良好的工藝性,可以制成極細(xì)的鉑絲或極薄的鉑箔;電阻率較高。缺點(diǎn)是:電阻溫度系數(shù)較小;在還原介質(zhì)中工作時(shí)易被沾污變脆;價(jià)格較高。
3.銅熱電阻銅熱電阻鉑金屬貴重,因此在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合,普遍地采用銅熱電阻來測(cè)量-50~+150℃的溫度。銅熱電阻有以下特點(diǎn)：在上述使用的溫度范圍內(nèi),阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性關(guān)系,即可近似
1.電阻溫度系數(shù)比鉑高,而電阻率則比鉑低。
2.容易提純,加工性能好,可拉成細(xì)絲,價(jià)格便宜。
3.易氧化,不宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。
二、熱電阻傳感器安裝要求對(duì)熱電阻的安裝,應(yīng)注意有利于測(cè)溫準(zhǔn)確,安全可考及維修方便,而且不影響設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)操作.要滿足以上要求,在選擇對(duì)熱電阻的安裝部位和插入深度時(shí)要注意以下幾點(diǎn):
1、為了使熱電阻的測(cè)量端與被測(cè)介質(zhì)之間有充分的熱交換,應(yīng)合理選擇測(cè)點(diǎn)位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電阻.
2、帶有保護(hù)套管的熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測(cè)量誤差,熱電偶和熱電阻應(yīng)該有足夠的插入深度:
(1)對(duì)于測(cè)量管道流體溫度的熱電阻,一般都應(yīng)將其測(cè)量端插入到管道處(垂直安裝或傾斜安裝).如被測(cè)流體的管道直徑是200毫米,那熱電阻插入深度應(yīng)選擇100毫米;
(2)對(duì)于高溫高壓和高速流體的溫度測(cè)量(如主蒸汽溫度),為了減小保護(hù)套對(duì)流體的阻力和防止保護(hù)套在流體作用下發(fā)生斷裂,可采取保護(hù)管淺插方式或采用熱套式熱電阻.淺插式的熱電阻保護(hù)套管,其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm;熱套式熱電阻的標(biāo)準(zhǔn)插入深度為100mm;
(3)假如需要測(cè)量是煙道內(nèi)煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電阻插入深度1m即可.
(4)當(dāng)測(cè)量原件插入深度超過1m時(shí),應(yīng)盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護(hù)套管.
三、熱電阻傳感器工作原理
在金屬中,載流子為自由電子,當(dāng)溫度升高時(shí),雖然自由電子數(shù)目基本不變(當(dāng)溫度變化范圍不是很大時(shí)),但每個(gè)自由電子的動(dòng)能將增加,因而在一定的電場(chǎng)作用下,要使這些雜亂無章的電子作定向運(yùn)動(dòng)就會(huì)遇到更大的阻力,導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻就要是利用電阻隨溫度升高而增大這一特性來測(cè)量溫度的。
熱電阻傳感器中的熱敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體測(cè)溫元件。半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的是載流子,由于半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目遠(yuǎn)比金屬中的自由電子數(shù)目少得多,所以它的電阻率大。隨溫度的升高,半導(dǎo)體中更多的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較高能級(jí)而產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì),因而參加到電的載流子數(shù)目增加了,半導(dǎo)體的電阻率也就降低了(電導(dǎo)率增加)。因?yàn)檩d流子數(shù)目隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律增加,所以半導(dǎo)體的電阻率也就隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律下降。熱敏電阻正是利用半導(dǎo)體這種載流子數(shù)隨溫度變化而變化的特性制成的一種溫度敏感元件。當(dāng)溫度變化1℃時(shí),某些半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值變化將達(dá)到(3~6)%。在一定條件下,根據(jù)測(cè)量熱敏電阻值的變化得到溫度的變化。