我們都知道,電阻值與材料、長度、橫截面積有關(guān)。當(dāng)然溫度也是一個(gè)不可或缺的因素。溫度對于電阻的影響:
碳硅棒的溫度曲線
CsxFe2Se2單晶在不同壓力下的電阻隨溫度變化曲線
鉑電阻(PT100)的溫度曲線
利用溫度變化帶來電阻變化進(jìn)行溫度測量的溫度計(jì)被稱為鑄錠爐熱電偶。這類溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,性能穩(wěn)定,測量的準(zhǔn)確度和靈敏度高,而且便于信號的遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄和集中控制。通常適用于-200~500℃之間的溫度測量,有些情況下,可以測量更高或更低的溫度。
常見鑄錠爐熱電偶結(jié)構(gòu)
鑄錠爐熱電偶,不是熱電偶
鑄錠爐熱電偶與熱電偶名稱相近,都用于溫度測量,但這兩種溫度儀表有著本質(zhì)的不同:
1.隨溫度變化,鑄錠爐熱電偶改變自身的電阻值,而熱電偶是產(chǎn)生感應(yīng)電壓的變化;
2.鑄錠爐熱電偶是單一金屬/半導(dǎo)體材料,而熱電偶是雙金屬/半導(dǎo)體材料;
3.測量溫度范圍不同:相比較而言,鑄錠爐熱電偶適合低溫測量,而熱電偶適合高溫測量;
4.接線方式不同:熱電偶有正負(fù)極,而鑄錠爐熱電偶沒有。
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不同的鑄錠爐熱電偶材料
鑄錠爐熱電偶對制作材料有如下要求:
1.電阻溫度系數(shù)要大。電阻的溫度系數(shù)定義為溫度每升高1開爾文時(shí)的電阻相對變化量,電阻溫度系數(shù)越大,溫度計(jì)的靈敏度越高,測量結(jié)果越準(zhǔn)確。
2.較大的電阻率。電阻率越大,鑄錠爐熱電偶的體積就越小,熱容量和熱慣性也越小,對溫度變化的響應(yīng)就越快。
3.在測溫范圍內(nèi),化學(xué)及物理性能穩(wěn)定。
4.電阻值與溫度的關(guān)系近似線性。
5.復(fù)現(xiàn)性好。
目前的鑄錠爐熱電偶根據(jù)材料,可分為金屬鑄錠爐熱電偶和半導(dǎo)體鑄錠爐熱電偶(即熱敏電阻)。其中金屬鑄錠爐熱電偶主要為鉑和銅。工業(yè)中鑄錠爐熱電偶常見的型號有Pt100、Pt10、Cu50、Cu100等。其中,由于Pt100優(yōu)良的性能,這種鑄錠爐熱電偶已經(jīng)成為工業(yè)中較常見的鑄錠爐熱電偶。
鑄錠爐熱電偶型號通常是材料+0℃時(shí)的電阻值,比如Pt100是鉑電阻,在0℃時(shí)阻值為100歐姆的鑄錠爐熱電偶。
精度等級
銅鑄錠爐熱電偶的允許誤差為±(0.30+0.006|t|);
鉑鑄錠爐熱電偶根據(jù)精度不同,允許誤差也不相同。
根據(jù)國標(biāo)GB/T 30121-2013《工業(yè)鉑電阻及鉑電阻感溫元件》,鉑電阻的允差登記被分為:
1. C級,±(0.60+0.01|t|);
2. B級,±(0.30+0.005|t|);
3. A級,±(0.15+0.002|t|);
4. AA級,±(0.1+0.0017|t|);
另有鉑電阻生產(chǎn)企業(yè)聲稱可以生產(chǎn)3A甚至5A級鉑電阻,這些基本是以B級鉑電阻的精度為基準(zhǔn)設(shè)定的。
注:|t|為溫度******值。
絕緣骨架材料
不同絕緣骨架材料應(yīng)對的使用溫度,以及特點(diǎn)不盡相同:
1.云母:適用溫度范圍-200~700℃,這種骨架抗震動(dòng)性能強(qiáng),響應(yīng)速度快,但溫度過高將產(chǎn)生水解;
2.玻璃:適用溫度范圍-200~600℃,這種材料體積小,響應(yīng)快,抗振性好,絕緣性能好,熱膨脹系數(shù)與鉑電阻絲材料相近;
3.陶瓷:適用溫度范圍-200~850℃,這種材料體積小,響應(yīng)快,抗振性好,絕緣性能好,熱膨脹系數(shù)與鉑電阻絲材料相近,化學(xué)穩(wěn)定性好,高溫下不與鉑起化學(xué)反應(yīng);
4.塑料:適用溫度范圍-50~150℃,這種材料有較好的力學(xué)性能,尺寸穩(wěn)定。
低溫鑄錠爐熱電偶
當(dāng)用于測量120K以下溫度時(shí),常用鑄錠爐熱電偶無法使用,因此需選用低溫鑄錠爐熱電偶。低溫鑄錠爐熱電偶常用于對液態(tài)天然氣、液氫、液氨、超導(dǎo)等應(yīng)用場合,因此這些鑄錠爐熱電偶具有體積小、反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
1:鉑電阻電阻率與溫度關(guān)系曲線;2:鉑電阻相對靈敏度曲線
1.低溫鉑電阻:適用溫度范圍13~90K,具有靈敏度高,線性度好,性能穩(wěn)定,通用性強(qiáng),分度標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn),但當(dāng)溫度低于13K時(shí),靈敏度顯著下降。
2.銠鐵鑄錠爐熱電偶:適用溫度范圍0.3~20K,恰好彌補(bǔ)了低溫鉑電阻的不足,這種電阻的缺點(diǎn)是電阻絲的均勻性差。
3.鍺鑄錠爐熱電偶:適用溫度范圍0.1~100K,屬于半導(dǎo)體鑄錠爐熱電偶,在低溫下有較大的負(fù)溫度系數(shù),靈敏度很高,熱容小,自熱小,機(jī)械強(qiáng)度好;缺點(diǎn)是磁阻效應(yīng)大,互換性較差。
4.滲碳玻璃鑄錠爐熱電偶:適用溫度范圍1.6~300K,但經(jīng)常用于測量1.6~30K。這種低溫鑄錠爐熱電偶在1.6~30K范圍內(nèi)有較高的靈敏度,穩(wěn)定性能也很好,制造工藝簡單,成本相對較低。
引線形式
由于一般的鑄錠爐熱電偶阻值不大,因此鑄錠爐熱電偶本身引線和電纜的電阻變化都會給溫度的測量結(jié)果帶來很大影響。一般是通過接線方式進(jìn)行消除。
測量元件引線形式有二線制、三線制和四線制,購買鑄錠爐熱電偶時(shí)常見產(chǎn)品為三線制和四線制。
二線制是指鑄錠爐熱電偶兩端各引出一根導(dǎo)線,這種測量方法簡單,但是由于連接導(dǎo)線的電阻不能消除所以會造成測量誤差,常用于短距離要求不高的場合。
精度等級達(dá)到鉑電阻A級的鑄錠爐熱電偶不適采用二線制接法。
三線制是在鑄錠爐熱電偶的根部的一端連接一根引線,另一端連接兩根引線,這種方式通常與電橋配套使用,兩個(gè)導(dǎo)線分別接在電橋的兩個(gè)橋背上,另一根線接在電橋的電源上,消除了引線電阻的誤差,這種方法一般在工業(yè)中較常用。
四線制是在鑄錠爐熱電偶的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線,其中兩根引線為鑄錠爐熱電偶提供恒定電流,把電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號;另外兩根導(dǎo)線測量鑄錠爐熱電偶上面的電壓,由于電壓測量儀器內(nèi)阻很高,不分流,測到的電壓就完全是鑄錠爐熱電偶兩端的電壓,電流已知,通過歐姆定律算出電阻值再轉(zhuǎn)換成溫度。這種方法測量精度高,適用于高精度測量用。
外保護(hù)套管結(jié)構(gòu)形式
當(dāng)工藝過程存在高壓、高流速或腐蝕性的情況,鑄錠爐熱電偶本身的保護(hù)管不能適用于這樣的條件時(shí),以及要求未裝儀表前工藝管道或設(shè)備為密閉系統(tǒng)的場合,應(yīng)采用溫度計(jì)套管,以保證安穩(wěn)和正常操作?;すこ桃话愣家鬁囟扔?jì)配用外保護(hù)套管。
對于中、低壓介質(zhì)宜選用無縫鋼管式溫度計(jì)套管;對于高壓介質(zhì)場合,宜選用直形或錐形整體鉆孔管式溫度計(jì)套管;對于被測介質(zhì)流速較高或要求溫度計(jì)套管有高強(qiáng)度的場合,應(yīng)選用錐形整體鉆孔式套管;對于要求減小阻力或減小熱響應(yīng)時(shí)間的場合,可選用階梯形溫度計(jì)套管。對于高壓、高流速用途的溫度計(jì)套管還要進(jìn)行固有頻率、諧振頻率計(jì)算及強(qiáng)度分析。
