热电阻及其应用技术指标与连接方式

热电阻温度计是利用金属（包括合金）导体或金属氧化物半导体做测温质，利用随温度而变化的电阻值来进行测温的。与热电阻匹配的温度显示二次侧仪表原理一般为电桥。热电阻在科研和生产中经常用来测量-200～+850℃区间内的温度。目前测量范围正在向温度的上、下限延伸，可从低至几个开尔文到高达上千摄氏度。

1.热电阻测温原理

金属导体的电阻率随温度变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应。其基本原理是：温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。据此，利用电阻和温度之间的函数关系，可将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。

2.热电阻对材料的要求

1）电阻相对温度系数α值要大。α值的定义是温度从0℃变化到100℃时，电阻值的相对变化率，即

式中，R₁₀₀、R₀分别代表热电阻在100℃和0℃时的电阻值；α为电阻相对温度系数。

α值的大小表示了热电阻的灵敏度，它是由R₁₀₀/R₀所决定的，热电阻材料纯度越高，则R₁₀₀/R₀值越大，那么热电阻的准确度和稳定性就越好。R₁₀₀/R₀是热电阻材料的重要技术指标。

2）电阻率β要大。β值表示在单位体积时的电阻值。

β=dR/dV （3-12）

对于一定的电阻值来说，β值越大则表明热电阻的体积越小，则热容量小，动态特性就好。

3）热电阻材料物理化学性能稳定，电阻与温度为线性关系，加工简单、价格便宜。

目前使用的热电阻材料有铜、铂、铁和镍等，实际应用最多的是铜和铂热电阻，并已实行标准化生产。金属电阻与温度间关系如图3-16所示。

此外，在构成测温用热电阻时应注意，热电阻丝必须在骨架的支持下才能构成测温元件，因此要求骨架材料的体膨胀系数要小。此外，还要求其机械强度和绝缘性能良好，耐高温、耐腐蚀。常用的骨架材料有云母、石英、陶瓷、玻璃和塑料等，根据不同的测温范围和加工需要可选用不同的材料。

图3-16 金属电阻与温度的关系

3.标准热电阻分类

（1）铂热电阻

铂热电阻由金属铂丝（0.02～0.07mm）绕制成线圈。它易于提纯（铂电阻的准确度与铂的提纯程度有关），且具有测量准确度高、电阻值与温度之间的关系接近线性、测温范围宽（-200～+850℃）、稳定性和复现性好等优点。在高温和氧化介质中性能极为稳定，不能用于还原介质，能耐较高的湿度。但因为是贵重金属，价格高。

目前我国规定工业用铂热电阻有R₀=10Ω和R₀=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100。R₁₀₀/R₀＞1.3925为标准铂热电阻，R₁₀₀/R₀=1.391为工业铂热电阻。Pt10热电阻感温元件是用较粗的铂丝绕制而成，主要用于650℃以上温区。Pt100热电阻主要用于650℃以下温区。铂热电阻的参考函数在0℃上、下温区各不相同，但参考函数的系数相同，其数学模型为：

当-200～0℃时 R_t=R₀（1+At+Bt²） （3-13）

当0～850℃时 R_t=R₀[1+At+Bt²+Ct³（t-100）] （3-14）

式中，A=3.9083×10^-3（1/℃），B=-5.775×10^-7（1/℃²），C=-4.183×10^-12（1/℃³）。

（2）铜热电阻

铜热电阻由金属铜丝（0.02～0.07mm）绕制成线圈。在-50～150℃范围内性能稳定，且具有线性好、电阻率低（为铂电阻的1/6）、体积较大、热响应慢、价格低等优点，但测量准确度低于铂电阻。

国内统一设计取R₀为50Ω和100Ω两种，故标准化铜热电阻有Cu₅₀和Cu₁₀₀两种分度号。铜热电阻的数学模型为

R_t=R₀（1+At+Bt²+Ct³） （3-15）

式中，A=4.28899×10^-3（1/℃），B=-2.133×10^-7（1/℃²），C=1.233×10^-9（1/℃³）。

4.标准热电阻的分度表(www.xing528.com)

标准热电阻的分度表是以列表的方式表示的温度与热电阻阻值之间的关系。根据热电阻不同分度号亦有相应分度表，这样在实际测量中，只要测得热电阻在温度t时的阻值R_t，便可从分度表上查出对应的温度值，典型的标准热电阻的分度表见附录C。分度表是由标准热电阻数学模型计算得出的，在相邻数据之间可采用线性内插算法，求出中间值。

5.热电阻的结构

由于热电阻都是由热电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或处于交变磁场时产生感应电动势，绕制时采用双线无感绕制法，由于通过这两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消。电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。

在工业上使用的标准热电阻的结构有两种：普通型装配式热电阻和柔性安装型铠装式热电阻。

装配式是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属或陶瓷保护套管内，再装上接线盒而成，如图3-17a所示。

图3-17 装配式和铠装式热电阻结构示意图

1—金属保护套管 2—热电阻元件 3—绝缘材料粉末 4—引线

铠装铂热电阻是将铂热电阻感温元件，引线、绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉伸的坚实整体，具有坚实、抗震、可扰、线径小、使用安装方便等特点，如图3-17b所示。

6.热电阻的测量电路

标准热电阻使用时多安装在现场，但与其配套的温度指示仪表要安装在控制室，其间的引线往往比较长。如果用两根导线做引线去连接，则相当于把引线电阻也串接加入到测温电阻中去了。由于引线有长短和粗细之分，也有材质的不同，并且在不同温度下电阻值也会发生变化，这些都会导致测量误差。为避免或减少导线电阻对测温的影响，最常用的方法是采用电桥电路来测量，即平衡电桥和不平衡电桥，也可以用电位差计法恒流源测量。热电阻内部引线方式多采用三线制和四线制连接法。

（1）三线制

工业用热电阻一般采用三线制，即将热电阻的一端与一根导线相连，而另一端同时连接两根导线。当热电阻与电桥测量电路配合使用时，采用三线制的优越性可用图3-18加以说明。

图中热电阻R_t的三根导线粗细材质相同，长度相等，阻值都是r。其中一根串接在电桥的电源上，另外两根分别串接在电桥相邻的两个臂上，使相邻两个臂的阻值都增加了同一个量r。当电桥平衡时，可写出下列关系式，即

（R_t+r）R₂=（R₃+r）R₁ （3-16）由此可以得出

如果设计电桥使R₁=R₂，则导线电阻r的影响可以完全消除。必须注意的是，只有在电桥完全平衡的情况下才能够实现完全补偿，而测温电桥一般采用不平衡方式工作，所以不能完全消除导线电阻r的影响，但能够大大减小误差。

图3-18 热电阻三线制接法

（2）四线制

实验室用精密测量中，采用四线制接法，用恒流源和直流电位差计来测量热电阻的阻值，如图3-19所示。

图3-19 热电阻四线制接法

四线制就是在热电阻的两端各引出两根引线，其中两根接恒流源，另外两根接电位差计。恒流源电流I流过热电阻产生电压降U，再用电位差计测出U值，有

尽管热电阻存在导线电阻r，但其在电流回路中所引起的电压降不在测量范围，而在测量回路中有由于电位差计输入电阻很大而几乎没有电流流过，所以四根导线电阻都对测量准确度没有影响。四线制连接热电阻和电位差计的测量方法是一种比较完善的方法，它不受任何条件限制，总是能够消除导线电阻的影响，唯一需要考虑的是恒流源要求稳定。

需要特别注意的是，无论是三线制还是四线制，导线都必须从热电阻感温体的根部引出，不能从接线端子处引出，否则仍会有影响。另外，无论哪种热电阻在实际使用时都会有电流流过，从而使电阻发热，阻值增大。为了消除这一因素引起的误差，一般要使流过热电阻的电流应比较小，还需要考虑热电阻的散热问题。