一種新型高溫抗振鉑電阻

趙玉柱　陳福江

[摘要]介紹一種新型高溫抗振鉑電阻測溫元件。從儀表元件的原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝等方面進(jìn)行分析論述，并提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從穩(wěn)定性、抗振性等方面進(jìn)行誤差分析，顯示出該鉑電阻測溫元件的突出優(yōu)點(diǎn)，可用于高溫振動條件下的溫度測量，具有一定的實(shí)用價值。

[關(guān)鍵詞]鉑電阻 抗振 高溫 燒結(jié)

中圖分類號：O52文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120033－01

一、引言

熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫。同類產(chǎn)品有：云母鉑電阻，玻璃鉑電阻，陶瓷內(nèi)繞式鉑電阻，膜式鉑電阻，石英鉑電阻等，工作中各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文將闡述一種性能優(yōu)良的整體燒結(jié)式高溫抗振陶瓷鉑電阻。

二、熱電阻的工作原理

熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化這一特性來進(jìn)行溫度測量的，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓涂梢詼y量出溫度。

目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。

金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即Rt=Rt0[1+α(t-t0)]。

式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時對應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為：Rt=AeB/t。

式中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。

熱敏電阻的測溫范圍只有-50-300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200-500℃范圍內(nèi)的溫度測量，其特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠。

三、鉑電阻產(chǎn)品的性能特點(diǎn)

1．云母鉑電阻：它是將鉑絲燒在片狀邊緣有牙的云母骨架上，再有絕緣云母片及外不銹鋼夾件等構(gòu)成。他的特點(diǎn)是工藝簡單，成本低，不抗污染，使用過程中阻值越用越大，長期穩(wěn)定性差。

2．玻璃鉑電阻：目前該鉑電阻在市場上基本消失，缺點(diǎn)是易壞。

3．陶瓷內(nèi)繞式鉑電阻，它的優(yōu)點(diǎn)在于制造工藝簡單，外觀好，可在很低的溫度下使用（如-200℃），缺點(diǎn)是振動場合不能勝任。它的結(jié)構(gòu)是將鉑絲制成彈簧狀，貫穿于兩孔或四孔的精制瓷管中，將各孔中的鉑絲進(jìn)行串聯(lián)于一端引線引出。不抗震的原因在于：它的內(nèi)部繞阻好比垂吊的電爐絲，在高溫狀態(tài)時，好似電爐絲通電，電爐絲通電后爐絲變軟，隨時間的延長出現(xiàn)上部爐絲匝間距增大，下部爐絲匝間距減小，爐絲的通電電流越大，溫度越高，效果越明顯，這時稍有振動，下部匝間就會短路，內(nèi)繞式鉑電阻之所以溫度越高時越不抗振就是這個道理。

4．膜式鉑電阻：從根本上解決了前三種形式鉑電阻的弊病，但由于所用金屬太少（一般薄膜厚度3，厚膜厚度7），它的抗過載能力很差，當(dāng)焊接時電流通過電阻體構(gòu)成回路時，將原來的精度改變。另外，由于100 的線條過于集中在3.2×1.6mm的陶瓷基片上，而且單面受熱，使得它的自然系數(shù)增大，所以它的檢測電流只有0.5mA以下，而我國目前生產(chǎn)和使用的二次儀表給一次元件提供的檢測電流為1-5mA（一般為3mA），這樣一來元件會由于檢測電流過大而產(chǎn)生的溫度升高超過了標(biāo)準(zhǔn)。

5．整體燒結(jié)式陶瓷鉑電阻，抗過載能力強(qiáng)，自熱小，體積較小（2.2×8mm），抗震，響應(yīng)速度快，高可靠，高穩(wěn)定性，長壽命，彌補(bǔ)了同類產(chǎn)品的不足。

四、高溫抗振鉑電阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

1．鉑電阻在結(jié)構(gòu)上如圖1示；

2．該鉑電阻在結(jié)構(gòu)上采用了引線在反端與電阻體（5處）燒結(jié)在一起，貫穿于電阻體引出.引線與電阻體燒結(jié)處的陶瓷避開拉應(yīng)力，使引線固定處堅(jiān)固，電阻體與引線燒結(jié)處在外力作用下不至于開裂；

3．另一優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在鉑絲外繞于電阻體上且用陶瓷覆蓋，燒為一體，使得反應(yīng)速度快；

4．鉑絲分布在電阻體外表面，有效散熱面積大，且皮薄散熱快，所以自熱系數(shù)??；

5．鉑絲被燒結(jié)約束在陶瓷的剛性體內(nèi)，不怕振動，長期穩(wěn)定性及壽命都有5-10倍于其它形式鉑電阻的提高；

6．由于元件的燒結(jié)溫度都高于最高使用溫度約300℃左右（-200℃-500℃件用800℃燒結(jié)，-200℃-800℃件用900℃燒結(jié)），鉑絲的膨脹系數(shù)大于陶瓷的膨脹系數(shù)，所以在燒結(jié)溫度時鉑絲取得最大的體積.隨著溫度的降低，陶瓷固化在鉑絲外圍形成殼體.在使用溫度范圍內(nèi)，從微觀上講，鉑絲屬于工作在一絲一腔的自由狀態(tài)。如鉑絲通

入較大的電流。只要鉑絲加熱體積膨脹后仍在剛性殼體容積以內(nèi)，不破壞殼體或使之變形，元件固有參數(shù)不變。

五、結(jié)束語

高溫抗振鉑電阻從投產(chǎn)至今已充分證明了該型鉑電阻在-200℃-500℃溫區(qū)的高可靠、長壽命的優(yōu)秀品質(zhì)。在該溫區(qū)內(nèi)它的可靠性和壽命與熱電偶相差不多，可測0-900或0-1000℃，代替熱電偶。與電偶相比成品增加少，壽命基本不降，但測量精度大大提高，可產(chǎn)生測溫領(lǐng)域的革命。在要求精度高的場合完全可以用鉑電阻代替熱電偶。在所標(biāo)量程范圍內(nèi)均為安全可靠，在（300-800）℃溫區(qū)內(nèi)獨(dú)樹一幟。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》JB/T 8622-1997，本標(biāo)準(zhǔn)符合IEC751:1983的電阻-----溫度關(guān)系公式及分度表的技術(shù)要求，效果良好，深受歡迎。

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