金属热电阻温度传感器介绍

利用感温电阻，把测量温度转换成测量电阻的电阻式测温系统，常用于测量-200～500℃范围内的温度。它是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成的。大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻，纯金属有正的温度系数，半导体有负的温度系数。用金属导体或半导体制成的传感器，分别称为金属电阻温度传感器和半导体电阻温度传感器。

随着科学技术的发展，热电阻的应用范围已扩展到1～5K的超低温领域。同时在1000～1200℃温度范围内也有足够好的特性。

1.工作原理、结构和材料

大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。其特性方程为

R_i=R₀[1+a（t-t₀）]

式中 R_i、R₀——热电阻在t和0℃时的电阻值；

a——热电阻的电阻温度系数（1/℃）。

对于绝大多数金属导体，a并不是一个常数，而是温度的函数。但是在一定的温度范围内，a可近似地看作常数。不同的金属导体，a保持常数所对应的温度范围不同。选作感温元件的材料应满足如下的要求：

1）材料的电阻温度系数a要大。a越大，热电阻的灵敏度越高；纯金属的a比合金高，所以一般均采用纯金属作电阻元件。

2）在测温范围内，材料的物理、化学性质稳定。

3）在测温范围内，希望a保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性。

4）具有比较大的电阻率，以利于减少热电阻的体积，减少热惯性。

5）特性复现性好，容易复制。

比较适合以上要求的材料有：铂、铜、铁和镍。

2.铂热电阻

铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要作为标准电阻温度计，广泛地应用于温度的基准、标准的传递。它的长时间稳定的复现性可达10^-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。

铂的纯度通常用W（100）表示，即

W（100）=R₁₀₀/R₀

式中 R₁₀₀——水沸点时（100℃）的电阻值；

R₀——水冰点时（0℃）的电阻值。

W（100）越高，表示铂丝纯度越高。国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，其W（100）不得小于1.3925。目前技术水平已达到W（100）1.3930，与之相应的铂纯度为99.9995%，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。

铂丝的电阻值与温度之间的关系在0～630.755℃范围内为

R_t=R₀（1+At+Bt²） （11-43）(www.xing528.com)

在-190°～0℃范围内为

R_t=R₀[1+At+Bt²+C（t-100）t²] （11-44）

式中 R_t，R₀——温度分别为t℃和0℃时铂的电阻值；

A，B——常数。

对W（100）=1.391，有A=3.96847×10^-3/℃，B=-5.847×10^-7/℃²；C=-4.22×10^-12/℃⁴。

对W（100）=1.389，有A=3.94851×10^-3/℃，B=-5.851×10^-7/℃²；C=-4.04×10^-12/℃⁴。

我国标准化铂热电阻特性见表11-1，其中B₁、B₂已渐趋淘汰。

表11-1 铂热电阻技术特性表

铂热电阻的结构如图11-43所示，铂电阻一般由直径为0.05～0.07mm铂丝绕在片形云母骨架上，铂丝的引线采用银丝，引线用双孔绝缘瓷套管绝缘。

图11-43 铂热电阻的结构

a）结构图 b）外形图 1—银引出线 2—铂丝 3—锯齿形云母骨架 4—保护用云母片 5—银绑带 6—铂电阻横断面 7—保护套管 8—连接法兰 9—接线盒

3.测量电路

电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路，精度较高的是自动电桥，为消除由于连接导线的电阻随环境变化而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。

图11-44是三线连接法所原理图。G为检流计，R₁、R₂、R₃为固定电阻，R_P为零位调节电阻。热电阻RT通过电阻为r₁、r₂、r_g的三根导线和电桥连接，r₁和r₂分别接在相邻的两臂内，当温度变化时，只要它们的长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化就不会影响电桥的状态。电桥在零位调整时，就使用R₄=R_P+R_t0，R_t0为热电阻在参考温度（如0℃）时的电阻值。三线接法中可调电阻R_P的触点，接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。

图11-44 热电阻测量电桥的三线连接法

G—检流计 R₁、R₂、R₃—固定电阻 R_P—零位调节电阻 R_T—热电阻 r₁、r₂、r_g—三根导线

图11-45为四线连接法。调零的R_P电位器的接触电阻和检流计P串联，这样，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。热电阻式温度计性能最稳定，测量范围广，精度也高，特别是在低温测量中得到广泛应用。缺点是需要辅助电源，热容量大限制了它在动态测量中的应用。

图11-45 热电阻测温电桥的四线连接法