热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合,这种传感器比较适用。
热电阻传感器具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用很多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
一、热电阻传感器分类热电阻传感器按不同的分类方式可以分为多种。
按材料分为2种：热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类,前者简称热电阻,后者简称热敏电阻。
按结构分为3种：普通型热电阻、铠装热电阻、薄膜热电阻。
按用途分：工业用热电阻、精密标准电阻。
ntc热电阻传感器:该类传感器为负温度系数传感器,即,传感器阻值随温度的升高而减小;
ptc热电阻传感器:该类传感器为正温度系数传感器,即,传感器阻值随温度的升高而增大。
以下是按照类型来介绍热电阻传感器。
1.金属热电阻传感器目前较为广泛应用的热电阻材料是铂、铜、镍、铁和铑铁合金等,而常用的是铂、铜,他们的电阻温度系数在范围内。作为测温用的热电阻材料,希望电阻温度系数要大,以提高热电阻的灵敏度;电阻率尽可能大,以便减小电阻体尺寸;热容量要小,以便提高热电阻的响应速度;在测量范围内,应具有稳定的物理和化学性能;电阻与温度的关系很好接近于线性;应有良好的可加工性,且价格便宜。在铂、铜中,铂的性能很好,采用特殊的结构可以制成标准温度计,它的适用范围为;铜电阻价廉并且线性较好,但温度高易氧化,故只适用于温度较低的环境中,目前已逐渐被铂电阻所取代。
2.铂热电阻铂材料的优点为:物理、化学性能极为稳定尤其是耐氧化能力很强,并且在很宽的温度范围内(1200℃以下)均可保持上述特性;易于提纯,复制性好,有良好的工艺性,可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔;电阻率较高。缺点是:电阻温度系数较小;在还原介质中工作时易被沾污变脆;价格较高。
3.铜热电阻铜热电阻铂金属贵重,因此在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,普遍地采用铜热电阻来测量-50~+150℃的温度。铜热电阻有以下特点：在上述使用的温度范围内,阻值与温度的关系几乎呈线性关系,即可近似
1.电阻温度系数比铂高,而电阻率则比铂低。
2.容易提纯,加工性能好,可拉成细丝,价格便宜。
3.易氧化,不宜在腐蚀性介质或高温下工作。
二、热电阻传感器安装要求对热电阻的安装,应注意有利于测温准确,安全可考及维修方便,而且不影响设备运行和生产操作.要满足以上要求,在选择对热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点:
1、为了使热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电阻.
2、带有保护套管的热电阻有传热和散热损失,为了减少测量误差,热电偶和热电阻应该有足够的插入深度:
(1)对于测量管道流体温度的热电阻,一般都应将其测量端插入到管道处(垂直安装或倾斜安装).如被测流体的管道直径是200毫米,那热电阻插入深度应选择100毫米;
(2)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度),为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用热套式热电阻.浅插式的热电阻保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;热套式热电阻的标准插入深度为100mm;
(3)假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为4m,热电阻插入深度1m即可.
(4)当测量原件插入深度超过1m时,应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套管.
三、热电阻传感器工作原理
在金属中,载流子为自由电子,当温度升高时,虽然自由电子数目基本不变(当温度变化范围不是很大时),但每个自由电子的动能将增加,因而在一定的电场作用下,要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力,导致金属电阻值随温度的升高而增加。热电阻就要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。
热电阻传感器中的热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。半导体中参加导电的是载流子,由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子数目少得多,所以它的电阻率大。随温度的升高,半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子—空穴对,因而参加到电的载流子数目增加了,半导体的电阻率也就降低了(电导率增加)。因为载流子数目随温度上升按指数规律增加,所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温度敏感元件。当温度变化1℃时,某些半导体热敏电阻的阻值变化将达到(3~6)%。在一定条件下,根据测量热敏电阻值的变化得到温度的变化。