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      針對熱電阻的工作原理應用詳談

      來源:發表時間:2019-01-04


            溫度的變化導致材料的電阻改變。測量電阻變化以推斷溫度變化。有兩種類型的熱電阻測量設備:熱電阻和熱敏電阻上海自動化儀表三廠熱電阻基本上是纏繞在線圈中的長的小直徑金屬線或基板上的蝕刻網格,非常像應變計。鉑是最常用于熱電阻的金屬。

      工作原理

            上海自動化儀表三廠熱電阻的工作原理是,金屬的電阻隨著溫度的變化以基本線性和可重復的方式可預測地變化。熱電阻具有正溫度系數(電阻隨溫度增加)。元件在基礎溫度下的電阻與元件的長度和橫截面積的倒數成比例。設計為測量帶有熱電阻溫度的典型電路實際測量中的變化性的熱電阻,然后將其用于計算溫度變化的。熱電阻的電阻隨著溫度的升高而增加,正如應變計的電阻隨著應變的增加而增加一樣。

      橋梁電路建設

            下圖顯示了一個基本電橋電路,它由三個已知電阻R1,R2和R3(可變),一個未知可變電阻RX(熱電阻),一個電壓源和一個靈敏電流表組成。

            電阻器R1和R2是電橋的比率臂。它們將電流流過電流表的兩個可變電阻進行比率。R3是一個可變電阻,稱為標準臂,可調節以匹配未知電阻。傳感電流表可視地顯示流過電橋電路的電流。對電路的分析表明,當調節R3以使電流表讀數為零時,電橋電路兩臂的電阻相同。橋梁兩臂之間的阻力關系可表示為

            由于R1,R2和R3的值是已知值,唯一未知的是Rx。在電流表零電流條件期間,可以為電橋計算Rx的值。知道該電阻值為校準連接到電橋電路的儀器提供了基線點。未知阻力Rx由下式給出

      熱電阻橋電路操作

            一個簡單的電路是四分之一橋惠斯通電橋電路,這里稱為雙線熱電阻電橋 電路。

            從橋接到熱電阻本身的一根導線(稱為引線)的電阻。應變計電路無需考慮引線電阻,因為R 引線始終保持恒定。然而,對于熱電阻電路,引線的某些部分暴露于變化的溫度。由于金屬線的電阻隨溫度變化,R 導線隨T變化,這可能導致測量誤差。這個錯誤可能非常重要 - 引線電阻的變化可能會被誤解為熱電阻電阻的變化。此外,在上面所示的雙線熱電阻電橋電路中有兩根引線,它使誤差加倍。設計用于消除引線電阻誤差的巧妙電路稱為三線熱電阻橋電路。三線熱電阻橋接電路如下所示。    

        

            它仍然是四分之一橋接電路,因為四個橋式電阻器中只有一個已被熱電阻取代。然而,其中一根引線已經放置在橋的R 2腿而不是R 3腿上。為了分析該電路,假設R 1 = R 4,并且當電橋平衡時,R 2 = R 3。請詳細說明惠斯通電橋的通用公式:

            注意,R 3和R 2在上式中具有相反的符號。因此,如果支路2(頂部)和支路3(底部)中的引線電阻相同,則引線電阻相互抵消,對輸出電壓沒有凈影響,從而消除了誤差。

      第三引線電阻,中線的R 引線怎么樣?那么,由于V o是用幾乎無限大的阻抗器件測量的,所以中間引線沒有電流流動,所以它的電阻不會影響任何東西!以下重新繪制的等效電路可以幫助解釋為什么引線電阻抵消:

            在上圖中,很明顯,如果R 導聯在橋的腿2和腿3中均勻變化,則其效果抵消。

      熱電阻材料與結構

            上海自動化儀表三廠熱電阻的作用有點像電傳感器,通過測量電阻將溫度變化轉換為電壓信號。最適合用作熱電阻傳感器的金屬是純金屬或某些質量均勻的合金,隨著溫度的升高,電阻會增加,相反,隨著溫度的降低,電阻也會降低。只有少數金屬具有熱電阻元件所需的特性。熱電阻傳感器中常用的材料是BALCO線,銅線,鉑金。

            使用BALCO電線構建的傳感器是一種退火電阻合金,其標稱成分為70%鎳和30%鐵。BALCO 500歐姆電阻元件提供-40至250°的相對線性電阻變化。傳感器是一種低質量設備,可以快速響應溫度變化。當在BALCO元件上測量1000歐姆時,溫度約為70°F。隨著溫度的升高,電阻每1°F變化2.2歐姆。這被稱為電阻溫度曲線系數(TCR曲線)。在BALCO中,由于電阻與溫度有直接關系,即隨著溫度的升高,電阻成比例地增加。BALCO通常的溫度測量范圍為-40°至240°F。

            鉑金 -使用鉑材料的熱電阻傳感器具有線性響應并且隨時間穩定。在一些應用中,使用短長度的導線來提供100歐姆的標稱電阻。但是,在電阻值較低的情況下,元件自發熱和傳感器引線電阻會影響溫度指示。在元件的少量電阻變化的情況下,必須使用額外的放大來增加信號電平。絕緣基座上的鉑膜傳感器可在74°時提供高達1000歐姆的電阻。憑借這種高電阻,傳感器相對不受自加熱的影響,并能快速響應溫度變化。這種類型的熱電阻元件很常見。

            這些金屬最適合熱電阻應用,因為它們具有線性電阻 - 溫度特性(如下圖所示),它們的高電阻系數以及它們承受反復溫度循環的能力。電阻系數是每度溫度變化的電阻變化,通常表示為每度溫度的百分比。所使用的材料必須能夠被拉成細線,以便可以容易地構造元件。

            銅和鎳版本在較低的溫度范圍內運行,并且比鉑更便宜。鉑金是最通用的材料,因為它具有寬溫度范圍(-200°C至850°C),優異的重復性,穩定性以及耐化學品和腐蝕性。


            熱電阻元件通常是長的,類似彈簧的導線,由絕緣體包圍并封閉在金屬護套中。下圖顯示了熱電阻的內部結構。這種特殊設計的鉑元素被瓷絕緣體包圍。絕緣體可防止電線和金屬護套之間發生短路。Inconel是一種鎳、鐵、鉻合金,由于其固有的耐腐蝕性,通常用于制造熱電阻護套。當置于液體或氣體介質中時,Inconel護套迅速達到介質的溫度。溫度的變化將導致鉑絲加熱或冷卻,從而導致電阻成比例變化。

            優點:線性電阻隨溫度變化,穩定性好,工作溫度范圍寬,可在很寬的溫度范圍內互換

            缺點:電阻隨溫度變化小,響應速度可能較慢,需要自發熱,變送器或引線電阻補償需要三到四根引線,需要外部電路電源

      其他事實

            熱電阻通常用于檢測管道和管道中的空氣和液體溫度,以及室溫傳感器。熱電阻元件的電阻隨溫度而變化。一些元件在寬溫度范圍內表現出大的電阻變化,線性變化或兩者。傳感器元件上的變化電壓決定了傳感器的電阻。為此目的供電可能導致元件輕微加熱,并可能導致溫度測量不準確。降低電源電流或使用具有較高標稱電阻的元件可以最大限度地降低自熱效應。      一些熱電阻元件電阻低至100歐姆。在這些情況下,連接熱電阻和控制器的引線的電阻可能顯著增加連接的熱電阻的總電阻,并且可能在溫度的測量中產生誤差。例如,距離控制器25英尺的傳感器具有25 x 2 = 50英尺的銅控制線。如果控制線的直流電阻為6.39歐姆/英尺,則50英尺的導線應具有0.319歐姆的總直流電阻。如果傳感器是100歐姆鉑金傳感器,溫度系數為0.69歐姆/華氏度,那么50英尺的電線將引入0.46華氏度的誤差。如果傳感器是3000歐姆鉑金傳感器,其溫度系數為每度F為4.8歐姆,50英尺的導線將引入0.066華氏度的誤差。因此傳感器元件的電阻越小,誤差的可能性越高。通過調整控制器上的校準設置可以消除重大錯誤,或者,如果控制器是針對它設計的,則可以將第三根導線連接到傳感器并連接到專門的補償電路,該補償電路旨在消除測量中的引線長度影響。


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