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热电阻温度计及应用
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温度属SI国际单位制七个基本单位之一,是最常见、最重要的物理量。在工业领域中,温度测量也是过程测量中最常见和最重要的组成部分,且对生产效率、安全和质量有着举足轻重的影响。在工业过程中,温度测量常常面临高温、高压和扰动大等严酷工业环境,同时过程监测和控制也要求温度测量元件有着较高的准确度、重复性、稳定性和可靠性。热电阻温度计(简称为RTD)具有结构简单,使用方便,性能稳定,测温范围广,测量准确度及灵敏度高,无需参考点,输出信号大,且便于信号的远传、自动记录和集中控制等特点,因而具备满足工业苛刻需求的能力,故在石油、化工、电力、制药等工业领域中应用广泛。

热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值,随温度变化而变化的热阻特性来测量温度的一种温度检测仪表。最早问世于19世纪末,至今其实际应用已有一百多年历史。热电阻温度计的分类,以铂热电阻为例,常按准确度等级分为标准铂热电阻温度计(SPRT)、二级标准铂热电阻温度计(SSPRT)和工业级铂热电阻温度计。SPRT测温范围大(-200 °C~1000 °C),准确度最高(在整个测温范围内可达±0.001 °C),制作成本也最高,仅适合于标准试验室用。SSPRT测温范围较小(-200 °C~500 °C),准确度在整个测温范围内可达±0.03 °C,制作成本适中,适合于作为标准参照温度计。工业级铂热电阻温度计则专门适合于工业环境使用,其耐久性几乎等同于热电偶,测温范围可取-200 °C~850 °C或0 °C~850 °C,其准确度最高可达±(0.15+2X10-3t) °C。

工业热电阻温度计测量所适用的国际标准主要有国际电工委员会的IEC 60751:2008“Industrial platinum resistance thermometers and platinumtemperature sensors”(工业铂热电阻温度计及铂感温元件)、IEC 61152:1992“Dimensions of metalsheathed thermometer elements”(金属护套式温度计元件的尺寸)、IEC 61520:2000“Metal thermowells for thermometer sensors – Functional dimensions”(感温元件用金属温度套管-功能尺寸),美国机械工程师学会的ASME PTC 19.3-1974“Temperature measurement”(温度测量)、ASME PTC 19.3TW-2010“The rmowe l l s”(温度套管),美国材料与试验学会的ASTM E644-11“Standard test methods for testing industrial resistance thermometers”(工业热电阻温度计测试方法)、ASTM E1137/E1137M-08 (2014)“Standard specification for industrial platinum resistance thermometers”(工业铂热电阻温度计标准规范)、ASTM E2593-12“St a n d a r d guide for accuracy verification of industrial platinum resistance thermometers”(工业铂热电阻温度计准确度检验导则)等。我国国家标准有GB/T 30121-2013“工业铂热电阻及铂感温元件”(等同采用IEC 60751:2008)、JJG 229-2010“工业铂、铜热电阻检定规程”、JJG 684-2003“表面铂热电阻检定规程”、JJF 1098-2003“热电偶、热电阻自动测量系统校准规范”等,行业制造标准有JB/T 8622-1997“工业铂热电阻技术条件及分度表” 、J B/T 8 6 2 3 -1997“工业铜热电阻技术条件及分度表”等。工业用热电阻温度计主要由热电阻感温元件、内引线、保护管三部分构成。热电阻感温元件是用于传感温度的电阻器,又由热电阻丝和绝缘骨架组成。常用金属热电阻丝材料有铂、铜、镍等,其主要特点见表1。常用绝缘骨架类型有云母骨架、玻璃骨架、陶瓷骨架和塑料骨架等。内引线是热电阻温度计出厂时自身所带的引线,其作用是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接,常用的材料有银丝、铜丝和镍丝等,接线方式有两线制、三线制和四线制三种方式。

表1:常用热电阻丝材料一览表
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保护管是用于保护感温元件、内引线免受环境有害影响的管状物,有可拆卸式和不可拆卸式两种,其材质有金属、非金属等多种材料。

在所有的常用温度测量仪表中,热电阻的准确度最高。此外,热电阻的稳定性、灵敏度、重复性、长期漂移量、线性度等指标均优于热电偶,因而其使用中核验成本相对较低。例如,在环境适宜时,热电阻可在很长时间内保持0.1℃以下的稳定性。又如在0℃下用Pt100铂热电阻测温,温度每变化1℃,其电阻值约变化0.4Ω,若通过电流为2mA,则其电压输出值为800μV。

相比热电偶而言,在相同条件下,即使采用灵敏度较高的K型热电偶,其热电动势变化也只有约40μV。热电阻对于EMI电磁干扰和RFI射频干扰均不敏感。热电阻最大的不足是其抗机械冲击和振动性能差,热响应时间长,不宜测量温度瞬变剧烈的介质。因此,为改善热电阻的使用性能,有时将热电阻感温元件,装入经压制、密实的氧化镁类绝缘、有内引线的金属套管内,焊接感温元件与内引线后,再将装有感温元件的金属套管端头填充、焊封成坚实整体,形成所谓的铠装热电阻。铠装热电阻较之带保护管的热电阻,具有外径尺寸小,响应速度快,抗振,可弯曲,使用方便,适于安装在结构复杂的测温部位,且感温元件不接触有害介质,使用寿命长等优点。

常用工业热电阻温度计,按其感温元件结构,可分为绕线式(即将金属丝绕在绝缘骨架上构成感温元件,常用于环境恶劣场合,常用温度范围-200 °C~850 °C)、薄膜式(即采用真空镀膜等方法制成纯金属膜,具有灵敏度高,响应快,外形尺寸小,便于安装在狭小场所,成本低等特点。常用温度范围-200 °C~800 °C)和线圈式(采用小型感温线圈,将其插入中空的高温烧制陶瓷氧化管内,并用极细的陶瓷粉末填实,已开始取代绕线式。温度范围可达-200 °C~1000 °C)等类型。由于结构及用料原因,薄膜式热电阻通常较绕线式耐振性能好,价格便宜,但绕线式较薄膜式测温范围较宽,准确度也更高。而线圈式则是绕线式的变种,由于采用感温线圈及其独特的安装结构,线圈可随温度变化自由伸缩且不会变形,而且还不会受其它材料的接触干扰,故适用于高准确度和快速响应的场合,但因制造较难,因而仅有某些发达国家开始在工业中大量采用。

热电阻温度计按其感温元件材质, 可分为金属导体和半导体两大类。金属类有铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻、铑铁及铂钴合金热电阻等。工业中应用最多的是铂热电阻和铜热电阻。半导体类有锗、碳和热敏电阻等。铂热电阻常用使用温度范围为-200℃~850℃,具有准确度高,性能稳定,互换性好,超宽范围内的极佳线性度等优点。值得说明的是,工业实际应用中有P t10、P t20、P t50、Pt100、Pt200、Pt300、Pt500、Pt1000和P t2000等分度号产品,而国家热电阻标准中只规定了P t10和P t100两种分度号,故在计算非标产品允许误差时,应对标准值进行相应的换算。铜热电阻具有电阻温度系统较大,易制造,价格便宜,互换性和线性度好的优点,缺点是固有电阻太小,中温易氧化等。故通常使用温度范围为-50℃~150℃,常用于测量电动机、柴油发电机、汽轮发电机的绕组温度等。过去Cu50分度号热电阻应用较为普遍,但现在基本让位于Cu100和Cu1000分度号产品,因后者分辨率更高,准确度更好。镍热电阻的电阻温度系统约为铂的1.5倍,但制造工艺复杂,互换性差,300℃以上线性度不佳,故其测温范围通常为-50℃~300℃。国际上只有德国、美国等少数国家有应用。

铑铁及铂钴合金热电阻主要用于低温测量,在低温工程和深冷领域应用广泛,如铑铁热电阻尤其适用于测量30K以下,甚至1K的超低温。此外,热敏电阻由于具有灵敏度高、电阻值高、体积小,结构简单、响应时间短、功耗小、化学稳定性好、价格低廉等优点,近年来发展迅速,大量应用于家电、汽车等的温度测量, 在- 4 0 ℃ ~350℃民用测温场合,已基本取代传统的温度传感器。但其主要缺点是,阻值与温度关系呈非线性,元件的稳定性和互换性差,除特制高温型外,通常不能用于350℃以上的高温。

随着技术的不断进步,热电阻温度计发展趋势主要表现在四个方面:一是向着更高精度、易用性和可靠性发展,如采用M12接头的适于快速装拆的RTD;二是输出信号传输的无线化和网络化;三是为满足日益增高的安全需求,SIL1~SIL3功能安全级产品逐渐面市;四是传感元件的小型化和微型化。如美国Burns Engineering公司推出的A04微型RTD敏感区长度仅为约7mm,测温范围-196 °C~200°C,采用三线制或四线制,精度高达0.05%,外护套采用直径仅为2mm的非金属P FA(聚全氟烷氧基树脂),特别适宜于以蛇形方式伸入狭小场合进行低温温度测量。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/20/2015)
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