淺析熱電阻的常見故障及解決方法

麗水市質(zhì)量檢驗檢測研究院 藍(lán) 卉 鐘震京

熱電阻是工業(yè)上廣泛應(yīng)用于中低溫區(qū)溫度測量的感溫元件，它具有構(gòu)造簡單、測量精度高、性能可靠、使用方便等優(yōu)點。由于使用的過程中受到一些因素的影響，常常會出現(xiàn)一些故障問題。本文基于熱電阻的測溫工作原理和測溫方法，簡要說明了熱電阻在使用中常見的故障，分析了這些故障產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決方法。

工業(yè)上通常采用熱電偶和熱電阻來進(jìn)行溫度測量，前者適用于500℃以上的高溫區(qū)，后者適用于500℃以下的中低溫區(qū)。熱電偶一般不適用于500℃以下的中低溫區(qū)，主要原因是低溫下熱電偶的輸出熱電勢非常的小，如若顯示儀表的放大器、抗干擾性能不好，如果使用熱電偶，通常很難實現(xiàn)精確測量。第二個原因是在溫度較低的區(qū)域，由于冷端溫度變化因素引起的不確定度也非常的大。因此采用熱電阻測溫儀測量中低溫更為合適。熱電阻通常與連接導(dǎo)線、顯示控制調(diào)節(jié)儀等二次儀表組合成測溫系統(tǒng)，即電阻溫度計。與計算機(jī)配套使用能精確測量和控制工業(yè)生產(chǎn)中中低溫區(qū)的溫度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的實時記錄和遠(yuǎn)傳。一般熱電阻主要由電阻體、引出線、絕緣子、保護(hù)套管和接線盒組成，這些部件都具有一定的使用壽命，所以使用后熱電阻出現(xiàn)故障在所難免，因此分析故障原因及掌握故障解決方法是非常有必要的。

1 熱電阻測溫原理及結(jié)構(gòu)形式

兩者同屬于接觸式測量，但與熱電偶基于熱電效應(yīng)的工作原理不同，熱電阻是基于其電阻隨溫度的改變而改變，電阻與溫度之間存在函數(shù)關(guān)系，即電阻的熱效應(yīng)，然后通過二次顯示儀表測量熱阻的電阻值來測量溫度值。

一般情況下，金屬熱電阻的阻值Rt與溫度t的關(guān)系如式(1)所示：

上述式子中，Rt——溫度為t時的電阻值（Ω）；

Rt0——溫度為t0時的電阻值（一般情況下t0為0℃）（Ω）；

Α——電阻溫度系數(shù)（一般情況下它不是常數(shù)，在不同溫度下具有不同數(shù)值）（℃-1）。

半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度的近似關(guān)系式如式(2)所示：

式中：Rt——溫度為t時的阻值；

A、B——常數(shù)，跟半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

從電阻體的阻值隨溫度的變化來看，大多數(shù)金屬導(dǎo)體都有這個特性，因而熱電阻大部分都由純金屬材料制成。但并不是所有的電阻都能作為熱電阻用于溫度測量。因為工業(yè)上以金屬材料作為測溫?zé)嶙栌袊?yán)格的要求：要求他們的電阻溫度系數(shù)應(yīng)盡可能大且穩(wěn)定，電阻率應(yīng)大，熱容量要小，化學(xué)和物理性能應(yīng)在整個測溫溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，材料的再現(xiàn)性應(yīng)良好，適用于無腐蝕性介質(zhì)，電阻值與溫度變化之間最好是線性關(guān)系等。基于上述這些條件，工業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的熱電阻主要金屬材料是鉑絲和銅絲，此外還有鎳、鐵、鐵—鎳等。由于鉑熱電阻具有易凈化提純，穩(wěn)定性高，性能可靠，測量精確度高的特點，因此它不僅在中低溫區(qū)工業(yè)溫度測量中廣泛應(yīng)用，還被用來制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)溫度計。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，熱電阻可分為普通熱電阻、鎧裝熱電阻、隔爆熱電阻和端面熱電阻四種類型。普通熱電阻通常由感溫元件電阻體、引出線、絕緣子、保護(hù)套管和接線盒等主要部件組成。普通型適用于環(huán)境條件良好，無腐蝕氣氛的場所。在實際工作中，PT100鉑熱電阻得到了廣泛的應(yīng)用，主要由于它的高穩(wěn)定性和良好的復(fù)制性。鎧裝熱電阻是由金屬保護(hù)套管、感溫元件電阻體、引出線和絕緣材料等組合經(jīng)冷拔、旋鍛加工而成，它熱惰性小，反應(yīng)迅速，具有耐振動、抗沖擊，可彎曲的性能，同時安裝方便、使用壽命較長。隔爆熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，適用于有爆炸性氣氛存在的場所。端面熱電阻是經(jīng)由特殊處理的感溫元件電阻絲繞在靠近溫度計前端的位置制做而成。端面熱電阻同普通的軸向熱電阻比較，在測量表面溫度時，前者能更加準(zhǔn)確、迅速地反映被測端面的實際溫度狀況。以上四種熱電阻，使用時我們可以根據(jù)現(xiàn)場的實際狀況來選用適合的熱電阻。

熱電阻溫度測量系統(tǒng)的導(dǎo)線連接方式主要有三種。這三種分別是：兩線制、三線制和四線制。

圖1 熱電阻接線方式

兩線制：如圖1所示，熱電阻的兩端分別接一根導(dǎo)線，用這兩根導(dǎo)線引出電阻信號。這種接線方式非常容易，但是受導(dǎo)線材質(zhì)和長度的影響，存在引線電阻，這會對測溫精度產(chǎn)生較大影響，因此，這種接線方法只適合測溫精度不是很高的場所。

三線制：如圖1所示，熱電阻的其中一端接一根導(dǎo)線，另外一端接兩根導(dǎo)線。三線制通常采用電橋作為前置電路，能獲得良好的抗干擾能力，有效地消除引線電阻對測量造成的影響。

四線制：如圖1所示，熱電阻的兩端各引出兩根導(dǎo)線，四線制沒有電橋，通過導(dǎo)線為熱電阻提供恒流源，將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過二次儀表最后測得電阻值。因此，測溫時，它不僅可以完全消除引線電阻帶來的影響。還可以消除導(dǎo)線間接接觸電阻及其阻值變化帶來的影響。測量精確度高。精度比較高的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的引出導(dǎo)線一般都采用這種接法。

終上所述，兩線制僅適用于測溫精度較低的場合。三線制有效的克服了引線電阻對測量的影響，它是工業(yè)過程控制中廣泛采用的連接方式。四線制主要用于高精度溫度測量。

2 熱電阻在使用中常見的故障

簡而言之，熱電阻在使用過程中常見的故障現(xiàn)象有以下幾種：

（1）熱電阻顯示儀表指示值低于實際值或指示值不穩(wěn)定；

（2）熱電阻的顯示表指示無窮大；

（3）熱電阻顯示儀表指針向標(biāo)尺下限走到頭，指示負(fù)值；

（4）熱電阻值與溫度之間的關(guān)系發(fā)生了變化。

3 故障原因分析及解決方法

基于以上故障現(xiàn)象，根據(jù)熱電阻的測溫工作原理、測溫方法和結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了故障原因分析，并做出了相應(yīng)的解決方法。

（1）原因分析：熱電阻感溫元件插入深度不夠，元件未推到保護(hù)殼端部或者可能由于使用環(huán)境較差，熱電阻的保護(hù)套管內(nèi)進(jìn)了灰塵、金屬屑、水漬、接線盒的接線端子間有污垢或熱電阻短路。解決方法：查出所用套管長度，選擇合適長度的熱阻元件，安裝時確保熱阻元件推到套管端部；倒出水漬或消除灰塵、金屬屑，并把濕的部分擦干，但不要用火烤。同時，密封保護(hù)套，防止水再次進(jìn)入；使用萬用表找出熱阻電路的短路或接地位置。如果熱阻短路，修理或更換。

（2）原因分析：可能由于使用頻繁造成熱電阻斷路，引出線短路或與接線盒端子松開或氧化等。解決方法：可用萬用表找出斷路位置，判斷是引出線、接線盒端子松開還是熱電阻斷路，如是接線盒子端子松開則焊接接點或擰緊接線螺絲；或如是引接導(dǎo)線斷路則去除氧化部分或者更換導(dǎo)線等；如是熱電阻斷路，應(yīng)進(jìn)行修理或更換。

(3）原因分析：顯示控制儀表和熱電阻之間的導(dǎo)線連接錯誤或者熱電阻短路。解決方法：使用萬用表檢查并確定短路位置。熱阻接線有誤時，應(yīng)糾正接線，加強(qiáng)絕緣；熱阻短路時，應(yīng)修理或更換。

（4）原因分析：高溫遭受氧化或受化學(xué)腐蝕后熱電阻絲材料腐蝕變質(zhì)；解決方法：及時更換熱電阻。

通過以上分析，我們了解熱電阻的測量原理，根據(jù)實際工作情況判斷故障原因并進(jìn)行故障處理，這對我們檢定工作的順利進(jìn)行和測量的準(zhǔn)確性、可靠性都是十分有利的。

結(jié)語：在使用熱電阻時，根據(jù)測量溫度和測量對象來選擇合適的熱電阻。環(huán)境條件良好時，可選用普通型。在特殊環(huán)境使用熱電阻時應(yīng)該注意配備保護(hù)套管。雖然大多數(shù)熱電阻的生產(chǎn)商使用的外表材料都會具有一定的防腐蝕性，但是如果在腐蝕性環(huán)境或者是介質(zhì)中使用熱電阻，那么就需要額外購買防腐蝕性比較強(qiáng)的保護(hù)套管，套在熱電阻的外面，以保護(hù)熱電阻不被工作環(huán)境損害。

在安裝完畢后對潮濕環(huán)境中的熱電阻的蓋子要周期的打開，并且要防止生銹，以免打不開無法維護(hù)。熱電阻使用前必須核查它是否能正常工作，比較簡單的核查方法是用萬用表測量它的電阻值。例如PT100熱電阻，根據(jù)它阻值與溫度之間的分度表，0℃時對應(yīng)R0值100Ω，如果萬用表測得電阻數(shù)據(jù)為零或者小于R0值，那么該熱電阻已經(jīng)短路必須進(jìn)行修復(fù)或更換；如果萬用表測得數(shù)據(jù)為無窮大，那么該熱電阻已經(jīng)斷路，不能使用；如果萬用表測得的電阻數(shù)據(jù)稍大于R0，說明該熱阻正常。