第14讲热电阻

1、温度检测温度检测温度是表示物体冷热程度的物理量。温度是表示物体冷热程度的物理量。 从热平衡的观从热平衡的观点来看，点来看， 温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，度的标志， 温度高的物体，温度高的物体， 其内部分子平均动能大；其内部分子平均动能大； 温度低的物体，温度低的物体， 其内部分子的平均动能小。其内部分子的平均动能小。 温度的基本概念温度的基本概念温标温标1. 经验温标经验温标 借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标，称为经验温标，实验方法或经验公式所确定的温标，

2、称为经验温标，有华氏、摄氏、有华氏、摄氏、 兰氏、列氏温标等。兰氏、列氏温标等。 （1） 华氏温标：华氏温标： 它规定水的沸腾温度为它规定水的沸腾温度为212度，度， 氯氯化铵和冰的混合物为化铵和冰的混合物为0度，度， 这两个固定点中间等分为这两个固定点中间等分为212份，份， 每一份为每一份为1度，记为度，记为 。 （2） 摄氏温标：摄氏温标： 它把冰点定为它把冰点定为0度，把水的沸点定度，把水的沸点定位位100度，将两个固定点之间的距离等分为度，将两个固定点之间的距离等分为100份，每份，每一份为一份为1度，度， 记为记为。 经验温标的缺点在于其局限性和随意性。例如，若经验温标的缺点在于其

3、局限性和随意性。例如，若选用水银温度计作为温标规定的温度计，选用水银温度计作为温标规定的温度计， 那么别的那么别的物质（例如酒精）就不能用了，而且使用温度范围也物质（例如酒精）就不能用了，而且使用温度范围也不能超过上下限（如不能超过上下限（如0， 100），超过了就不能），超过了就不能标定温度了。标定温度了。 2.热力学温标热力学温标物理学家开尔文根据卡诺热机原理提出了热力学温物理学家开尔文根据卡诺热机原理提出了热力学温度，度， 但需要从与理想气体状态方程入手来复现。但需要从与理想气体状态方程入手来复现。 由由于实际气体与理想气体的差异，于实际气体与理想气体的差异， 当用气体温度计测当用气体温

4、度计测量温度时，量温度时， 总要进行一些修正，总要进行一些修正， 因此，因此， 气体温标的气体温标的建立是相当繁杂的，建立是相当繁杂的， 而且使用同样繁杂，而且使用同样繁杂， 很不方便。很不方便。 3.国际温标国际温标 第一个国际温标是第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定年第七届国际计量大会决定采用的温标，采用的温标， 称为称为“1927年国际温标年国际温标”， 记为记为ITS-27。 此后大约每隔此后大约每隔20年进行一次重大修改，年进行一次重大修改， 相继有相继有ITS-48、 IPTS-68和和EPT-76、 ITS-90。 国际温标做国际温标做重大修改的原因，重大修改的原因

5、， 主要是由于温标主要是由于温标“三要素三要素”发生变发生变化。化。 ITS-90是是1989年年7月第月第77届国际计量委员会批准届国际计量委员会批准的、的、 国际温度咨询委员会制定的新温标。国际温度咨询委员会制定的新温标。 从从1994年年1月月1日起全面实行新温标。日起全面实行新温标。 ITS-90的热力学温度仍记作的热力学温度仍记作T，为了区别于以前的温，为了区别于以前的温标，标， 用用“T90代表新温标的热力学温度，代表新温标的热力学温度， 其单位仍是其单位仍是K。与此并用的摄氏温度记为。与此并用的摄氏温度记为t90，单位是，单位是。T90与与t90的关系仍是的关系仍是 15.273

6、9090Tt各温标间的换算关系各温标间的换算关系 热电式传感器的分类热电式传感器的分类热电偶传感器热敏电阻热电阻热电阻传感器热电式传感器温度变化转换为电阻变化温度变化转换为电阻变化温度变化转换为热电动势变化温度变化转换为热电动势变化金属金属半导体半导体热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。可分为：可分为：热电阻式传感器热电阻式传感器1. 热电阻的工作原理和材料热电阻的工作原理和材料纯金属具有正的温度系数，纯金属具有正的温度系数， 可以作为测温元件。作

7、可以作为测温元件。作为测温用的热电阻应具有下列要求：为测温用的热电阻应具有下列要求： 电阻温度系数大，电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；以获得较高的灵敏度； 电阻率高，电阻率高， 元件尺寸可以小；元件尺寸可以小； 电阻值随温度变化尽量是线性关系；电阻值随温度变化尽量是线性关系； 在测温范围内，在测温范围内， 物理、化学性能稳定；物理、化学性能稳定； 材料质纯、材料质纯、 加工方便和价格加工方便和价格便宜等。铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料，便宜等。铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料， 其中其中铂和铜最常用。铂和铜最常用。1 1）铂热电阻）铂热电阻铂热电阻的统一型号为铂热电阻的统一型号为WZPW

8、ZP，其物理、化学性能非常，其物理、化学性能非常稳定，稳定， 长期复现性最好，长期复现性最好， 测量精度高。铂热电阻主测量精度高。铂热电阻主要用作标准电阻温度计。要用作标准电阻温度计。 国际标准有国际标准有Pt100Pt100， 测温测温范围为范围为-200-200960960，电阻温度系数为，电阻温度系数为3.93.910-3/10-3/，00时电阻值为时电阻值为100100。但铂在高温下，。但铂在高温下， 易受还原性易受还原性介质污染，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关介质污染，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关系，系， 因此使用时应装在保护套管中。因此使用时应装在保护套管中。常用热电

9、阻常用热电阻2 2）铜热电阻）铜热电阻铜热电阻的统一型号为铜热电阻的统一型号为WZCWZC，其优点是价格便宜、纯，其优点是价格便宜、纯度高、度高、 复制性好，电阻温度系数为复制性好，电阻温度系数为（4.254.254.284.28）10-3/10-3/， 线性特性仅次于铂和银，线性特性仅次于铂和银， 但比但比铂电阻有较高的灵敏度，常用来做铂电阻有较高的灵敏度，常用来做-50-50150150范围内范围内的工业用电阻温度计；其缺点是电阻率较低，容易氧的工业用电阻温度计；其缺点是电阻率较低，容易氧化，为此只能用在较低温度和没有水份及腐蚀性的介化，为此只能用在较低温度和没有水份及腐蚀性的介质中。目前

10、国标规定的铜热电阻有质中。目前国标规定的铜热电阻有Cu50Cu50和和Cu100Cu100两种。两种。3 3）薄膜铂热电阻）薄膜铂热电阻一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒，一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒， 在测量在测量表面温度和动态温度时精度不高。表面温度和动态温度时精度不高。 薄膜铂热电阻和薄膜铂热电阻和厚膜铂热电阻的热响应时间特别短，一般在厚膜铂热电阻的热响应时间特别短，一般在0.10.10.3 0.3 s s， 适用于表面温度和动态温度的测量。适用于表面温度和动态温度的测量。热电阻的结构热电阻的结构热电阻的结构通常由电阻体、热电阻的结构通常由电阻体、 绝缘体、绝缘体、 保护套管和

11、保护套管和接线盒四部分组成。接线盒四部分组成。 一般是将电阻丝绕在云母或石英、一般是将电阻丝绕在云母或石英、 陶瓷、陶瓷、 塑料等绝缘骨架上，塑料等绝缘骨架上， 固定后套上保护套管，固定后套上保护套管， 在热电阻丝与套管间填上导热材料即成。在热电阻丝与套管间填上导热材料即成。 铂丝的直径铂丝的直径为为0.030.07 mm。 热敏电阻的分类热敏电阻的分类负温度系数热敏电阻：简称负温度系数热敏电阻：简称NTCNTC，型号用，型号用MFMF表示。表示。 在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降，在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降， 温度系数为温度系数为-(1-(16)%/6)%/。

12、临界负温度系数热敏电阻：简称临界负温度系数热敏电阻：简称CTRCTR。CTRCTR是一种开是一种开关型关型NTCNTC，在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧，在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减小。减小。 正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻： 简称简称PTCPTC， 型号用型号用MZMZ表示。表示。 在工作温度范围内，在工作温度范围内， 其电阻值随温度上升而非线性其电阻值随温度上升而非线性增大。增大。温度特性温度特性)11(00TTBTeRR2TB伏安特性伏安特性热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性3.热敏电阻的结构热敏电阻的结构4.热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数热敏电阻的线性化热

13、敏电阻的线性化1.串联电阻法串联电阻法对对NTC热敏电阻热敏电阻Rt串联一个选配合适的温度系数很串联一个选配合适的温度系数很小的金属电阻小的金属电阻RX，在一定范围内可使温度与组合电，在一定范围内可使温度与组合电阻阻RS的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性关系，如图所示。关系，如图所示。热敏电阻线性化热敏电阻线性化MHLHLHLMRRRRRRRRR22)(2.2.桥路法桥路法如图所示为一种桥路法线性化电路，在测量范围不大时，可如图所示为一种桥路法线性化电路，在测量范围不大时，可得较满意的结果。设得较满意的结果。设T TH H、T TL L、T TM

14、M分别为测温上、下限和中点，其分别为测温上、下限和中点，其相应电阻值为相应电阻值为R RH H、R RL L、R RM M 可由特性曲线中获得。串联在热敏电可由特性曲线中获得。串联在热敏电阻中的阻中的R R的最佳值为的最佳值为线性电路及曲线图线性电路及曲线图热电式传感器的接线方式热电式传感器的接线方式两线制：接线简单，但对引线电阻有一定要求，否则两线制：接线简单，但对引线电阻有一定要求，否则会引起测量误差，常用于不需较高精度且测量温度的会引起测量误差，常用于不需较高精度且测量温度的热电阻与仪表较近的场合。热电阻与仪表较近的场合。三线制：可减少热电阻与测量仪表间连接导线因环境三线制：可减少热电阻

15、与测量仪表间连接导线因环境温度变化所引起的测量误差。（见书温度变化所引起的测量误差。（见书P169图图6.2.9）四线制：不仅可消除热电阻与测量仪表之间连接导线四线制：不仅可消除热电阻与测量仪表之间连接导线电阻的影响，且可消除测量线路中寄生电势引起的测电阻的影响，且可消除测量线路中寄生电势引起的测量误差，多用于标准计量和实验室。量误差，多用于标准计量和实验室。 （见书（见书P169图图6.2.10）热电阻传感器的应用热电阻传感器的应用1.1.温度检测及指示温度检测及指示运用实例：汽车水温测量、自动热水器、电冰箱等家用电器的运用实例：汽车水温测量、自动热水器、电冰箱等家用电器的温度控制等。温度控

16、制等。优点：精度高，适于测低温，便于远距离、多点、集中测量优点：精度高，适于测低温，便于远距离、多点、集中测量和自动控制。和自动控制。缺点：结构复杂，体积较大，测点温度困难。缺点：结构复杂，体积较大，测点温度困难。2.流量测量流量测量3.3.温度补偿电路温度补偿电路Rt被补偿元件被补偿元件猛铜丝电阻猛铜丝电阻4 4过热保护过热保护作为防灾和过热保护的连接方式有直接保护和间接作为防灾和过热保护的连接方式有直接保护和间接保护两种形式。在小电流场合，可把保护两种形式。在小电流场合，可把PTCPTC直接与被保直接与被保护器件串联，在大电流场合，可通过继电器、晶体护器件串联，在大电流场合，可通过继电器、

17、晶体管开关对被保护装置进行保护。这两种形式都必须管开关对被保护装置进行保护。这两种形式都必须将将PTCPTC电阻与保护对象紧密安装在一起，以保证能充电阻与保护对象紧密安装在一起，以保证能充分进行热交换，使得过热保护及时。分进行热交换，使得过热保护及时。图为图为PTCPTC电阻对马达的电阻对马达的过热保护电路。图中按过热保护电路。图中按下开关时下开关时R RT T较小，其上较小，其上电流大，继电器电流大，继电器J J吸合，吸合，马达转动，马达转动，K K又自动打开，又自动打开，电源通过电源通过J J给马达、给马达、PTCPTC电阻提供电流，马达转电阻提供电流，马达转动温度升高，动温度升高，R R

18、T T值增大值增大使其上分流下降，当马使其上分流下降，当马达温度过高达温度过高,I,IRTRT小于一小于一定值时，定值时，J J断开，保护了断开，保护了马达过热状态。马达过热状态。图中接上电源，起图中接上电源，起动时动时R RT T较小，变压较小，变压器上电流大，功耗器上电流大，功耗也大，使温度上升，也大，使温度上升，R RT T随之增加，电流随之增加，电流又减小，变压器功又减小，变压器功耗减小，防止了变耗减小，防止了变压器过热。压器过热。5.5.自动延时电路自动延时电路由于由于PTCPTC热敏电阻从两端加上电压开始，到电阻增热敏电阻从两端加上电压开始，到电阻增加到确定值需要一定的时间，所以可

19、用作延迟。加到确定值需要一定的时间，所以可用作延迟。图中当其中电源接通时，图中当其中电源接通时，R RT T较小，此支路的分流大，较小，此支路的分流大，继电器因电流小而不动作，继电器因电流小而不动作，灯没有亮，经过一定时间灯没有亮，经过一定时间后，后，R RT T因功耗而增大，分因功耗而增大，分流减小，当继电器上电流流减小，当继电器上电流增大到可动值时才动作，增大到可动值时才动作，即继电器动作延迟，灯也即继电器动作延迟，灯也就延迟打开，其延迟时间就延迟打开，其延迟时间可由可由R R0 0调节。调节。自动延时电路自动延时电路图为空调机、电冰箱和电风扇微图为空调机、电冰箱和电风扇微风档等设备的马达

20、启动原理电路。风档等设备的马达启动原理电路。一般马达启动时，需要较大的启一般马达启动时，需要较大的启动功率，而当其正常运转时，所动功率，而当其正常运转时，所需功率大幅度减小。为此，常给需功率大幅度减小。为此，常给这类单相电机装上附加启动绕阻这类单相电机装上附加启动绕阻L L2 2，该绕阻只在电机启动时工作，该绕阻只在电机启动时工作，而当电机运转正常后自动断开。而当电机运转正常后自动断开。PTCPTC热敏电阻器在此充当自动通断热敏电阻器在此充当自动通断的无触点开关。的无触点开关。原理原理: :把把PTCPTC元件与元件与L L2 2串联，由于热敏电阻的冷态电阻串联，由于热敏电阻的冷态电阻远小于启动线圈阻抗远小于启动线圈阻抗R RL2L2, ,因此对启动电流几乎没有影因此对启动电流几乎没有影响。随着热敏电阻被加热，电阻值升高，当电阻值升响。随着热敏电阻被加热，电阻值升高，当电阻值升高到远大于高到远大于R RL2L2时，启动绕阻视同切断。时，启动绕阻视同切断。6.6.温控电路温控电路图为图为NTCNTC热敏电阻与继电器组成的控温电路。热敏电阻与继电器组成的控温电路。起初被控温