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量溫度及與溫度有關的參數。在溫度檢測精度要求比較高的場合,這種傳感器比較適用。
熱電阻傳感器具有電阻溫度系數大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃~+500℃范圍內的溫度。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。
熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應用很多的是鉑和銅,此外,現在已開始采用鎳、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體熱電阻式兩大類,前者簡稱熱電阻,后者簡稱熱敏電阻。
按結構分為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、精密標準電阻。
ntc熱電阻傳感器:該類傳感器為負溫度系數傳感器,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在范圍內。作為測溫用的熱電阻材料,希望電阻溫度系數要大,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速度;在測量范圍內,應具有穩(wěn)定的物理和化學性能;電阻與溫度的關系很好接近于線性;應有良好的可加工性,且價格便宜。在鉑、銅中,鉑的性能很好,采用特殊的結構可以制成標準溫度計,它的適用范圍為;銅電阻價廉并且線性較好,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)點為:物理、化學性能極為穩(wěn)定尤其是耐氧化能力很強,并且在很寬的溫度范圍內(1200℃以下)均可保持上述特性;易于提純,復制性好,有良好的工藝性,可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔;電阻率較高。缺點是:電阻溫度系數較小;在還原介質中工作時易被沾污變脆;價格較高。
3.銅熱電阻銅熱電阻鉑金屬貴重,因此在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合,普遍地采用銅熱電阻來測量-50~+150℃的溫度。銅熱電阻有以下特點：在上述使用的溫度范圍內,阻值與溫度的關系幾乎呈線性關系,即可近似
1.電阻溫度系數比鉑高,而電阻率則比鉑低。
2.容易提純,加工性能好,可拉成細絲,價格便宜。
3.易氧化,不宜在腐蝕性介質或高溫下工作。
二、熱電阻傳感器安裝要求對熱電阻的安裝,應注意有利于測溫準確,安全可考及維修方便,而且不影響設備運行和生產操作.要滿足以上要求,在選擇對熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點:
1、為了使熱電阻的測量端與被測介質之間有充分的熱交換,應合理選擇測點位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設備的死角附近裝設熱電阻.
2、帶有保護套管的熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測量誤差,熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度:
(1)對于測量管道流體溫度的熱電阻,一般都應將其測量端插入到管道處(垂直安裝或傾斜安裝).如被測流體的管道直徑是200毫米,那熱電阻插入深度應選擇100毫米;
(2)對于高溫高壓和高速流體的溫度測量(如主蒸汽溫度),為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發(fā)生斷裂,可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電阻.淺插式的熱電阻保護套管,其插入主蒸汽管道的深度應不小于75mm;熱套式熱電阻的標準插入深度為100mm;
(3)假如需要測量是煙道內煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電阻插入深度1m即可.
(4)當測量原件插入深度超過1m時,應盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護套管.
三、熱電阻傳感器工作原理
在金屬中,載流子為自由電子,當溫度升高時,雖然自由電子數目基本不變(當溫度變化范圍不是很大時),但每個自由電子的動能將增加,因而在一定的電場作用下,要使這些雜亂無章的電子作定向運動就會遇到更大的阻力,導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量溫度的。
熱電阻傳感器中的熱敏電阻是一種新型的半導體測溫元件。半導體中參加導電的是載流子,由于半導體中載流子的數目遠比金屬中的自由電子數目少得多,所以它的電阻率大。隨溫度的升高,半導體中更多的價電子受熱激發(fā)躍遷到較高能級而產生新的電子—空穴對,因而參加到電的載流子數目增加了,半導體的電阻率也就降低了(電導率增加)。因為載流子數目隨溫度上升按指數規(guī)律增加,所以半導體的電阻率也就隨溫度上升按指數規(guī)律下降。熱敏電阻正是利用半導體這種載流子數隨溫度變化而變化的特性制成的一種溫度敏感元件。當溫度變化1℃時,某些半導體熱敏電阻的阻值變化將達到(3~6)%。在一定條件下,根據測量熱敏電阻值的變化得到溫度的變化。