铂电阻测温

　　1．概述

　　铂电阻的电阻率较大，电阻一温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。国际ITS-90规定，在-259．35～961．78℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。

　　铂的纯度用百度电阻比W₁₀₀表示。它是铂电阻在100℃时电阻值R₁₀₀与0℃时电阻值R0之比，即W₁₀₀＝ R₁₀₀／R₀。W₁₀₀越大，其纯度越高。目前技术已达到W₁₀₀＝1．3930，其相应的铂纯度为99．9995％。国际ITS-90规定，作为标准仪器的铂电阻的W₁₀₀应大于l．3925。一般工业用铂电阻的W₁₀₀应大于1．3850。

　　目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用；而Pt10是用较粗的铂丝制作的，主要用于600℃以上的测温。铂电阻测温范围通常最大为-200～850℃。在550℃以上高温（真空和还原气氛将导致电阻值迅速漂移） 只适合在氧化气氛中使用。铂电阻与温度的关系为

　　当-200℃<t<0℃时

　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　当0℃≤t≤＝850℃时

　　式中，Ｒ₀为温度为零时铂热电阻的电阻值（Ptl00为100Ω，Pt10为10Ω）；

　　R（t）为温度为t时铂热电阻的电阻值；

　　A、B、C为系数，A＝3．908 02×10^-3℃^-1；B＝5．8019×10^-7℃^-2；C＝4．27350×10^-12℃^-4。

　　据公式（6-6）制成的工业铂热电阻分度表见附录1的附表1-1和附表1-2。

　　2．热电阻的结构

　　工业热电阻的基本结构如图1所示。

图1　工业热电阻的基本结构
1-电阻丝；2-保护管；3-安装固定件；4-接线盒

　　热电阻主要由感温元件、内引线、保护管三部分组成。通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。它的外形与热电偶相似，使用时要注意避免用错。

　　热电阻感温元件是用来感受温度变化的电阻器，它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝的材料应具备如下条件：

　　①电阻温度系数大，线性好，性能稳定；

　　②使用温度范围广，加工方便；

　　③固有电阻大，互换性好，复制性强。

　　能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂丝。我国纯铂丝品种及应用范围如表1所示。

表1　纯铂丝品种及应用

　　绝缘骨架是用来缠绕、支承或固定热电阻丝的支架。它的质量将直接影响电阻的性能。因此，作为骨架材料应满足如下要求：

　　①在使用温度范围内，电绝缘性能好；

　　②热膨胀系数要与热电阻相近；

　　③物理及化学性能稳定，不产生有害物质污染热电阻丝；

　　④足够的机械强度及良好的加工性能；

　　⑤比热容小，热导率大。

　　目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。用不同骨架可制成多种热电阻感温元件。采用云母骨架的感温元件特点是：抗机械振动性能强，响应快。很久以来多用云母做骨架。但是，由于云母是天然物质，其质量不稳定，即使是优质云母，在600℃以上也要放出结晶水并产生变形。所以，采用云母骨架的感温元件使用温度宜在500℃以下。

　　因其电阻丝并非完全固定，故受热后引起电阻变化小，电阻性能比较稳定，但体积较大，不适宜在狭小场所进行测量，并且响应时间较长。

　　采用玻璃骨架的感温元件特点是：体积小，响应快，抗振性强。因铂丝已固定在玻璃骨架上，故在使用中不产生变形，因此，必须选取与电阻丝具有相同膨胀系数的玻璃作骨架，否则，当温度变化时引起膨胀或收缩，就会改变热电阻的性能。其结构如图6―3所示。感温元件较通用的尺寸是外径为1～4mm，长度为10～40mm。这种玻璃骨架的软化点约为450℃，最高安全使用温度为400℃，而且，低温到4K仍然可用。

　　采用陶瓷骨架的感温元件特点是：体积小，响应快，绝缘性能好。使用温度上限可达960℃。陶瓷骨架的缺点是机械强度差，不易加工。

　　3．热电阻的引线形式

　　内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。内引线通常位于保护管内。因保护管内温度梯度大，作为内引线要选用纯度高且不产生热电动势的材料。对于工业铂热电阻而言，中低温用银丝作引线，高温用镍丝。这样，既可降低成本，又能提高感温元件的引线强度。对于铜和镍热电阻的内引线，一般都用铜、镍丝。为了减少引线电阻的影响，内引线直径通常比热电阻丝的直径大很多。

　　热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图2所示。

　　①两线制

　　如图2（a）所示，在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制热电阻。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。因此，不适用于高精度测温场合使用。并且在使用时引线及导线都不宜过长。采用两线制的测温电桥如图3所示，（a）为接线示意图，（b）为等效原理图。从图中可以看出热电阻两引线电阻R_W和热电阻RW一起构成电桥测量臂，这样引线电阻R_W因沿线环境温度改变引起的阻值变化量2△R_W和因被测温度变化引起热电阻R_t的增量值△R_t一起成为有效信号被转换成测量信号，从而影响温度测量精度。

图2　感温无件的引线形式

-接线端子；Ｒ-感温元件；Ａ、Ｂ-接线端子的标号

（a）示意图　　　　　　　　　　　　　　　（b）等效原理图

图3　两线制热电阻测量电桥

　　②三线制

　　如图2（b）所示，在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制热电阻。用它构成如图6-6所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。而且，在测温范围窄或导线长，导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制热电阻。

　　③四线制

　　如图2（c）所示，在热电阻感温元件的两端各连两根引线，此种引线形式称为四线制热电阻。在高精度测量时，要采用如图5所示四线制测温电桥。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，可消除该电阻的影响，还可以通过CPU定时控制继电器的一对触点C和D的通断，改变测量热电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。

（a）示意图　　　　　　　　　　　　　　　（b）等效原理图

图4　三线制热电阻测量电桥

（a）示意图　　　　　　　　　　　　　　　（b）等效原理图

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• 2016-10-23铂电阻测温