工業(yè)熱電阻溫度計的選型探索

曹 旸

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責任公司，上海 201306）

0 引言

工業(yè)熱電阻溫度計是利用金屬導(dǎo)體在不同溫度下的電阻值變化來反映溫度變化的測溫儀器，是目前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域測溫及控溫系統(tǒng)中最常見的溫度傳感器之一。它具有精度高，復(fù)現(xiàn)性佳，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等特點。尤其是在中低溫段的溫度測量，熱電阻相比熱電偶以及玻璃液體溫度計具有更加明顯的使用優(yōu)勢。熱電偶在低溫段時，自身熱電勢很小，易受到設(shè)備及環(huán)境影響；玻璃液體溫度計結(jié)構(gòu)脆弱，易損壞且無法實現(xiàn)電信號傳輸，因而在現(xiàn)代工業(yè)自動化監(jiān)測系統(tǒng)中極少使用。鉑和銅是目前工業(yè)熱電阻最常見的材料，鎳、錳、銠等材料也有所研究。鉑電阻測量精度高，穩(wěn)定性好，可用于中性及氧化性介質(zhì)中，溫度-電阻關(guān)系呈非線性；銅電阻適用于無腐蝕介質(zhì)中，測溫范圍通常為-50℃～150℃，超過150℃則易被氧化，其電阻與溫度呈線性關(guān)系[1]。

目前，市面上工業(yè)熱電阻溫度計形式種類繁多，以滿足各類生產(chǎn)場所及實驗室的使用需求。如何選用合適的工業(yè)熱電阻進行測溫需經(jīng)過仔細選型，才能同時實現(xiàn)可測和測準兩方面要求。

1 測溫范圍及精度

在進行熱電阻的選型時，最優(yōu)先的是要確定測溫范圍和測溫精度要求。

目前，熱電阻的測溫范圍可達-200℃～850℃。以鉑電阻為例，其精度等級按標準可分為AA 級，A 級、B 級和C 級，國外制造商可能會按照其他標準進行精度定義，如某些Pt100 鉑RTD 具有1/10DIN 或1/3DIN（德國標準）精度等級。但需注意的是，等級與其有效測溫范圍是相對應(yīng)的。如國家計量檢定規(guī)程JJG229-2010 中，明確給出A 級線繞式鉑電阻的有效溫度范圍僅有-100℃～450℃。因此，在選用某一等級的熱電阻時，需關(guān)注其有效測溫范圍，超出有效溫度范圍的其他溫度部分，則以制造商在技術(shù)條件中給出的為準。通常制造商會直接分段給出不同范圍內(nèi)的精度，如在產(chǎn)品說明中給出-50℃～300℃滿足A 級，在300℃～500℃內(nèi)為B 級精度。在選型中，需根據(jù)使用條件，綜合考慮所需的溫度范圍及精度/溫度允差要求，選擇合適的產(chǎn)品，不必為了追求測量范圍廣、精度高而增加工業(yè)生產(chǎn)成本。

2 熱電阻接線方式的選擇

熱電阻溫度計在測量時，感溫端與終端顯示儀表的距離關(guān)系著引線的長短，而引線越長，引線電阻越大。如果沒有采用合理的接線方式，將會使引線電阻被引入測量結(jié)果中，從而造成測量誤差結(jié)果偏大。

工業(yè)熱電阻根據(jù)接線方式，可以分為二線制、三線制和四線制3 種。

二線制是最簡單的接線方式，但在其測量系統(tǒng)中，熱電阻的引線電阻無法被消除，且由于引線電阻未知而使其被直接計入熱電阻的阻值中，造成溫度測量結(jié)果偏差較大。根據(jù)熱電阻的電阻率計算，即使較小的電阻測量誤差也會引入較大的溫度偏差[2]，因此二線制連接方式只適用于連接導(dǎo)線短，且精度要求低的生產(chǎn)場所。

三線制考慮了引線電阻帶來的影響，其在二線制的基礎(chǔ)上加了一根補償導(dǎo)線，其補償?shù)囊罁?jù)是假設(shè)3 根引線的引線電阻及接觸電阻均相等[3]。在電橋測量線路中，當熱電阻3 根引線材質(zhì)、直徑、長度等基本一致，即使3 根引線的電阻差別越小時，引線電阻引入的誤差影響也越小。由于這種接線方式可以減小引線電阻的影響[4]，測溫精度較二線制高，引線數(shù)量較四線制少，成本低，因而三線制是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一種接線方式，尤其是在連接導(dǎo)線較長，需兼顧測量精度與經(jīng)濟成本的場所。

四線制連接方式可以完全依靠測量線路消除引線電阻影響，因此對導(dǎo)線幾乎沒有要求，測得的電阻即熱電阻本身的電阻值，最終得到的也是真實的溫場溫度。它的測溫精度最高，被廣泛用于實驗室中的高精度溫度測量，作為計量標準器的標準鉑電阻溫度計，通常采用的也是四線制連接方式。

圖1 熱電阻結(jié)構(gòu)類型Fig.1 Structure type of resistance thermometer

總而言之，熱電阻接線方式的選擇，需綜合考慮測量性能要求及生產(chǎn)成本要求，以求達到準確性和經(jīng)濟性的雙重滿足。

3 熱電阻結(jié)構(gòu)類型

熱電阻按結(jié)構(gòu)可分為線繞元件式和薄膜元件式，線繞式是目前最為常見的類型，其感溫金屬絲纏繞在某種材質(zhì)的芯體上，因此稱為線繞式；薄膜式則是將感溫金屬嵌于薄片基體上制成。目前，使用中比較常見的熱電阻探針均采用的是線繞式，通過選用不同基體、保護套管、連接線等實現(xiàn)在不同場合的應(yīng)用。薄膜式熱電阻除具有常規(guī)熱電阻的性能外，還具有體積小、電阻溫度系數(shù)高、熱容量小、熱響應(yīng)快、耐振動、耐沖擊的特點，適用于安裝位置小，需要快速響應(yīng)的測溫系統(tǒng)中，在諸如電子設(shè)備的熱測試等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但使用時，需注意薄膜式熱電阻的最大工作電流遠小于線繞式，其體積小、熱容小的特點，使其自熱系數(shù)高于線繞式，過大的電流將會對其溫度測量帶來較大的誤差[5]。因此，通常薄膜式熱電阻產(chǎn)品一定會給出其自熱系數(shù)，使用者需關(guān)注。

4 基體材質(zhì)、保護套管材質(zhì)

由于線繞式和薄膜式熱電阻均是將金屬絲固定于某一材質(zhì)的基體上加工而成的，因而基體材質(zhì)與熱電阻元件的整體使用性能有很大關(guān)系。有實踐表明，繞線式熱電阻受到振動、沖擊時，會導(dǎo)致感溫絲變形彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力，進而使其溫度電阻特性發(fā)生改變[6]。因此，某些工況下，應(yīng)選用芯體材質(zhì)具有良好抗沖擊性的熱電阻。目前，常見的芯體材質(zhì)主要有陶瓷、玻璃等，陶瓷材質(zhì)的芯體可適用于極低和極高溫度條件下，可耐熱沖擊，但是其抗振能力有限且只能在干燥的環(huán)境中使用。玻璃材質(zhì)可適應(yīng)低溫及極高溫，可耐熱沖擊，抗振性能優(yōu)于陶瓷。此外，薄膜式熱電阻通常會選用硅片為基體材質(zhì)。

金屬絲如鉑絲在高溫下，容易被還原性氣氛所污染，導(dǎo)致其電阻溫度特性改變，測溫不準。因此，熱電阻在制造中，需加裝套管進行封裝保護，方可使用。套管材質(zhì)也需根據(jù)使用環(huán)境進行選擇，除選與基體同材質(zhì)進行封裝外，在酸堿等易腐蝕的環(huán)境中，還會采用不銹鋼等材質(zhì)的套管，或?qū)μ坠鼙砻孢M行處理，提高表面光潔度，增強耐腐蝕性，以延長熱電阻使用壽命。薄膜式熱電阻也會通過涂保護膜等手段來增加其環(huán)境適應(yīng)性。

選用何種芯體材質(zhì)以及保護套材質(zhì)，均與熱電阻溫度計的使用環(huán)境息息相關(guān)，選用合適的材質(zhì)，才能保證熱電阻使用長久。

5 響應(yīng)時間

熱電阻插入溫場后，需經(jīng)過一定時間才能與介質(zhì)達到熱平衡，這就是熱電阻的響應(yīng)時間。尤其在帶有一定流速的氣體或液體中，溫度往往是一個動態(tài)變化的過程，當利用熱電阻進行動態(tài)溫度測量時，需尤其關(guān)注熱電阻的動態(tài)響應(yīng)特性。有研究表明，熱電阻的響應(yīng)時間主要與熱電阻本身性質(zhì)、介質(zhì)、流速等有關(guān)，而溫度的階躍變化量對熱電阻的熱響應(yīng)時間影響并不大[7]。在相同使用條件下，同一熱電阻的動態(tài)響應(yīng)特性數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)一致，根據(jù)介質(zhì)的不同，其模型中的參數(shù)會發(fā)生變化[8]。因此，對動態(tài)響應(yīng)有需求的客戶在選型時，需說明測量介質(zhì)及流速等影響因素，通常廠家會給出熱電阻在某種介質(zhì)及流速狀態(tài)下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，以供參考。例如，OMEGA 1PT100GX1510 型熱電阻在1m/s 流速的空氣中，達到90%響應(yīng)的響應(yīng)時間為7s。因此，如想要快速反應(yīng)被測環(huán)境溫度變化，應(yīng)選擇溫度響應(yīng)速度快的熱電阻。

此外，有研究表明：響應(yīng)速度的快慢還與插入深度有關(guān)。因此，熱電阻的安裝也需注意，如果熱電阻安裝不合理，可能使其溫度響應(yīng)時間達到幾分鐘，從而導(dǎo)致測溫錯誤[9]。在用于精密氣流測量時，廠家還會在熱電阻保護套管前端開有氣流孔，通過加工手段讓溫度感應(yīng)端實現(xiàn)更快、更準的測量目的。選型時，需根據(jù)測溫系統(tǒng)的響應(yīng)要求進行選取。

6 探頭長度、直徑、形狀、曲直

選取熱電阻探針的長度、直徑、形狀、曲直等因素，首先與熱電阻的安裝空間有關(guān)。一般認為，熱電阻安裝后插進被測氣體或液體的深度需大于熱電阻保護管外徑的8 ～10 倍，除保證與被測溫場的充分接觸外，還可以盡量讓熱電阻在長度方向熱脹變形[10]。插入深度不足是目前實際工作現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的，是造成測溫不準的最常見原因之一。

圖2 強迫性彎折熱電阻造成的保護套斷裂Fig.2 Fracture of protective casing caused by forced bending

探頭直徑的選取除與空間有關(guān)外，還與探頭受力情況及對溫度變化的響應(yīng)要求有關(guān)。在帶有一定流速的流體中，探針會受到一定的側(cè)向力，探頭直徑需保證其在長期受力情況下不發(fā)生折損。但是越細的探頭靈敏度越高，在對響應(yīng)速度有要求的測溫環(huán)境中，探針直徑越小越好。因此，選型中需綜合考慮這兩方面因素。此外，探針的形狀設(shè)計有時也與這兩個因素相關(guān)，如外殼設(shè)計為階梯形或錐形，這種在探針尖端將直徑減小的操作就是為了在滿足整體強度要求的情況下，實現(xiàn)快速響應(yīng)。

在彎曲的安裝空間中，目前很多制造商都直接生產(chǎn)有90°彎曲的貨架產(chǎn)品，有些制造商還生產(chǎn)有可彎曲探頭的熱電阻探針，但其對可彎曲的長度范圍、角度以及彎曲的最小半徑均有限制，使用者應(yīng)按要求進行使用。切勿對不可彎折的探針生掰硬扭，否則極易造成熱電阻外保護殼斷裂（如圖2 所示），失去保護功能。

7 其他選型要點

除了以上要點，熱電阻的選型還有其他需要考慮的方面，但基本是可以通過要求廠家選配或后期改造實現(xiàn)的。例如，熱電阻探針的安裝接口，可根據(jù)整體設(shè)備的建造，選用螺紋連接、法蘭連接等連接方式；如熱電阻連接線的接頭采用直接裸端導(dǎo)線、音頻連接器、鏟形接線片，OTP連接器等多種連接形式。

8 結(jié)論

在熱電阻的選型中，使用目的、使用場所、使用環(huán)境等是決定著最終使用何種產(chǎn)品的主要因素。測溫范圍和精度要求是選型熱電阻時首要考慮且必須達到的要求，是選型最基本的考慮點；三線制熱電阻是目前工業(yè)生產(chǎn)場所最常采用的線制，而四線制是實驗室里最常用的熱電阻線制；薄膜式熱電阻的使用場所限制比較多，因此工業(yè)上線繞式熱電阻產(chǎn)品更多，使用范圍更廣；基體材質(zhì)、保護套管材質(zhì)、熱電阻響應(yīng)時間、探頭幾何尺寸等都是與使用條件關(guān)系密切的要素，須按需選擇。實際上，面對如此繁多的熱電阻產(chǎn)品，技術(shù)人員首先應(yīng)該做的就是明確自己的需求，需求越全面仔細，越容易定位目標產(chǎn)品，但反之，需求越簡單，可供選擇的產(chǎn)品也越多。

熱電阻本身的選型是影響整個測量系統(tǒng)使用性能的最重要一環(huán)，但并非唯一一環(huán)。熱電阻的安裝、接線端的連接質(zhì)量，測溫電路的設(shè)計以及外引線的材質(zhì)、絕緣處理等都會影響整個溫度測量系統(tǒng)的準確性，有時甚至?xí)绊懮a(chǎn)安全[11]。因此，整個測溫系統(tǒng)的最終使用效果是一個各部件、各環(huán)節(jié)全面協(xié)調(diào)的結(jié)果，需要技術(shù)人員的全面了解和重視。