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科普知識
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溫度傳感器

熱電阻溫度計及應用

發布日期:2022-10-09 點擊率:536

溫度屬SI國際單位制七個基本單位之一,是最常見、最重要的物理量。在工業領域中,溫度測量也是過程測量中最常見和最重要的組成部分,且對生產效率、安全和質量有著舉足輕重的影響。在工業過程中,溫度測量常常面臨高溫、高壓和擾動大等嚴酷工業環境,同時過程監測和控制也要求溫度測量元件有著較高的準確度、重復性、穩定性和可靠性。熱電阻溫度計(簡稱為RTD)具有結構簡單,使用方便,性能穩定,測溫范圍廣,測量準確度及靈敏度高,無需參考點,輸出信號大,且便于信號的遠傳、自動記錄和集中控制等特點,因而具備滿足工業苛刻需求的能力,故在石油、化工、電力、制藥等工業領域中應用廣泛。
熱電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻值,隨溫度變化而變化的熱阻特性來測量溫度的一種溫度檢測儀表。最早問世于19世紀末,至今其實際應用已有一百多年歷史。熱電阻溫度計的分類,以鉑熱電阻為例,常按準確度等級分為標準鉑熱電阻溫度計(SPRT)、二級標準鉑熱電阻溫度計(SSPRT)和工業級鉑熱電阻溫度計。SPRT測溫范圍大(-200 °C~1000 °C),準確度最高(在整個測溫范圍內可達±0.001 °C),制作成本也最高,僅適合于標準試驗室用。SSPRT測溫范圍較小(-200 °C~500 °C),準確度在整個測溫范圍內可達±0.03 °C,制作成本適中,適合于作為標準參照溫度計。工業級鉑熱電阻溫度計則專門適合于工業環境使用,其耐久性幾乎等同于熱電偶,測溫范圍可取-200 °C~850 °C或0 °C~850 °C,其準確度最高可達±(0.15+2X10-3t) °C。

工業熱電阻溫度計測量所適用的國際標準主要有國際電工委員會的IEC 60751:2008“Industrial platinum resistance thermometers and platinumtemperature sensors”(工業鉑熱電阻溫度計及鉑感溫元件)、IEC 61152:1992“Dimensions of metalsheathed thermometer elements”(金屬護套式溫度計元件的尺寸)、IEC 61520:2000“metal thermowells for thermometer sensors – Functional dimensions”(感溫元件用金屬溫度套管-功能尺寸),美國機械工程師學會的ASME PTC 19.3-1974“Temperature measurement”(溫度測量)、ASME PTC 19.3TW-2010“The rmowe l l s”(溫度套管),美國材料與試驗學會的ASTM E644-11“Standard test methods for testing industrial resistance thermometers”(工業熱電阻溫度計測試方法)、ASTM E1137/E1137M-08 (2014)“Standard specification for industrial platinum resistance thermometers”(工業鉑熱電阻溫度計標準規范)、ASTM E2593-12“St a n d a r d guide for accuracy verification of industrial platinum resistance thermometers”(工業鉑熱電阻溫度計準確度檢驗導則)等。我國國家標準有GB/T 30121-2013“工業鉑熱電阻及鉑感溫元件”(等同采用IEC 60751:2008)、JJG 229-2010“工業鉑、銅熱電阻檢定規程”、JJG 684-2003“表面鉑熱電阻檢定規程”、JJF 1098-2003“熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范”等,行業制造標準有JB/T 8622-1997“工業鉑熱電阻技術條件及分度表” 、J B/T 8 6 2 3 -1997“工業銅熱電阻技術條件及分度表”等。工業用熱電阻溫度計主要由熱電阻感溫元件、內引線、保護管三部分構成。熱電阻感溫元件是用于傳感溫度的電阻器,又由熱電阻絲和絕緣骨架組成。常用金屬熱電阻絲材料有鉑、銅、鎳等,其主要特點見表1。常用絕緣骨架類型有云母骨架、玻璃骨架、陶瓷骨架和塑料骨架等。內引線是熱電阻溫度計出廠時自身所帶的引線,其作用是使感溫元件能與外部測量及控制裝置相連接,常用的材料有銀絲、銅絲和鎳絲等,接線方式有兩線制、三線制和四線制三種方式。

表1:常用熱電阻絲材料一覽表

保護管是用于保護感溫元件、內引線免受環境有害影響的管狀物,有可拆卸式和不可拆卸式兩種,其材質有金屬、非金屬等多種材料。

在所有的常用溫度測量儀表中,熱電阻的準確度最高。此外,熱電阻的穩定性、靈敏度、重復性、長期漂移量、線性度等指標均優于熱電偶,因而其使用中核驗成本相對較低。例如,在環境適宜時,熱電阻可在很長時間內保持0.1℃以下的穩定性。又如在0℃下用Pt100鉑熱電阻測溫,溫度每變化1℃,其電阻值約變化0.4Ω,若通過電流為2mA,則其電壓輸出值為800μV。

相比熱電偶而言,在相同條件下,即使采用靈敏度較高的K型熱電偶,其熱電動勢變化也只有約40μV。熱電阻對于EMI電磁干擾和RFI射頻干擾均不敏感。熱電阻最大的不足是其抗機械沖擊和振動性能差,熱響應時間長,不宜測量溫度瞬變劇烈的介質。因此,為改善熱電阻的使用性能,有時將熱電阻感溫元件,裝入經壓制、密實的氧化鎂類絕緣、有內引線的金屬套管內,焊接感溫元件與內引線后,再將裝有感溫元件的金屬套管端頭填充、焊封成堅實整體,形成所謂的鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻較之帶保護管的熱電阻,具有外徑尺寸小,響應速度快,抗振,可彎曲,使用方便,適于安裝在結構復雜的測溫部位,且感溫元件不接觸有害介質,使用壽命長等優點。

常用工業熱電阻溫度計,按其感溫元件結構,可分為繞線式(即將金屬絲繞在絕緣骨架上構成感溫元件,常用于環境惡劣場合,常用溫度范圍-200 °C~850 °C)、薄膜式(即采用真空鍍膜等方法制成純金屬膜,具有靈敏度高,響應快,外形尺寸小,便于安裝在狹小場所,成本低等特點。常用溫度范圍-200 °C~800 °C)和線圈式(采用小型感溫線圈,將其插入中空的高溫燒制陶瓷氧化管內,并用極細的陶瓷粉末填實,已開始取代繞線式。溫度范圍可達-200 °C~1000 °C)等類型。由于結構及用料原因,薄膜式熱電阻通常較繞線式耐振性能好,價格便宜,但繞線式較薄膜式測溫范圍較寬,準確度也更高。而線圈式則是繞線式的變種,由于采用感溫線圈及其獨特的安裝結構,線圈可隨溫度變化自由伸縮且不會變形,而且還不會受其它材料的接觸干擾,故適用于高準確度和快速響應的場合,但因制造較難,因而僅有某些發達國家開始在工業中大量采用。

熱電阻溫度計按其感溫元件材質, 可分為金屬導體和半導體兩大類。金屬類有鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻、銠鐵及鉑鈷合金熱電阻等。工業中應用最多的是鉑熱電阻和銅熱電阻。半導體類有鍺、碳和熱敏電阻等。鉑熱電阻常用使用溫度范圍為-200℃~850℃,具有準確度高,性能穩定,互換性好,超寬范圍內的極佳線性度等優點。值得說明的是,工業實際應用中有P t10、P t20、P t50、Pt100、Pt200、Pt300、Pt500、Pt1000和P t2000等分度號產品,而國家熱電阻標準中只規定了P t10和P t100兩種分度號,故在計算非標產品允許誤差時,應對標準值進行相應的換算。銅熱電阻具有電阻溫度系統較大,易制造,價格便宜,互換性和線性度好的優點,缺點是固有電阻太小,中溫易氧化等。故通常使用溫度范圍為-50℃~150℃,常用于測量電動機、柴油發電機、汽輪發電機的繞組溫度等。過去Cu50分度號熱電阻應用較為普遍,但現在基本讓位于Cu100和Cu1000分度號產品,因后者分辨率更高,準確度更好。鎳熱電阻的電阻溫度系統約為鉑的1.5倍,但制造工藝復雜,互換性差,300℃以上線性度不佳,故其測溫范圍通常為-50℃~300℃。國際上只有德國、美國等少數國家有應用。

銠鐵及鉑鈷合金熱電阻主要用于低溫測量,在低溫工程和深冷領域應用廣泛,如銠鐵熱電阻尤其適用于測量30K以下,甚至1K的超低溫。此外,熱敏電阻由于具有靈敏度高、電阻值高、體積小,結構簡單、響應時間短、功耗小、化學穩定性好、價格低廉等優點,近年來發展迅速,大量應用于家電、汽車等的溫度測量, 在- 4 0 ℃ ~350℃民用測溫場合,已基本取代傳統的溫度傳感器。但其主要缺點是,阻值與溫度關系呈非線性,元件的穩定性和互換性差,除特制高溫型外,通常不能用于350℃以上的高溫。

隨著技術的不斷進步,熱電阻溫度計發展趨勢主要表現在四個方面:一是向著更高精度、易用性和可靠性發展,如采用M12接頭的適于快速裝拆的RTD;二是輸出信號傳輸的無線化和網絡化;三是為滿足日益增高的安全需求,SIL1~SIL3功能安全級產品逐漸面市;四是傳感元件的小型化和微型化。如美國Burns Engineering公司推出的A04微型RTD敏感區長度僅為約7mm,測溫范圍-196 °C~200°C,采用三線制或四線制,精度高達0.05%,外護套采用直徑僅為2mm的非金屬P FA(聚全氟烷氧基樹脂),特別適宜于以蛇形方式伸入狹小場合進行低溫溫度測量。

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