發布日期：2022-10-09 點擊率：607
溫度屬SI國際單位制七個基本單位之一，是最常見、最重要的物理量。在工業領域中，溫度測量也是過程測量中最常見和最重要的組成部分，且對生產效率、安全和質量有著舉足輕重的影響。在工業過程中，溫度測量常常面臨高溫、高壓和擾動大等嚴酷工業環境，同時過程監測和控制也要求溫度測量元件有著較高的準確度、重復性、穩定性和可靠性。熱電阻溫度計（簡稱為RTD）具有結構簡單，使用方便，性能穩定，測溫范圍廣，測量準確度及靈敏度高，無需參考點，輸出信號大，且便于信號的遠傳、自動記錄和集中控制等特點，因而具備滿足工業苛刻需求的能力，故在石油、化工、電力、制藥等工業領域中應用廣泛。
熱電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻值，隨溫度變化而變化的熱阻特性來測量溫度的一種溫度檢測儀表。最早問世于19世紀末，至今其實際應用已有一百多年歷史。熱電阻溫度計的分類，以鉑熱電阻為例，常按準確度等級分為標準鉑熱電阻溫度計（SPRT）、二級標準鉑熱電阻溫度計（SSPRT）和工業級鉑熱電阻溫度計。SPRT測溫范圍大（-200 °C～1000 °C），準確度最高（在整個測溫范圍內可達±0.001 °C），制作成本也最高，僅適合于標準試驗室用。SSPRT測溫范圍較小（-200 °C～500 °C），準確度在整個測溫范圍內可達±0.03 °C，制作成本適中，適合于作為標準參照溫度計。工業級鉑熱電阻溫度計則專門適合于工業環境使用，其耐久性幾乎等同于熱電偶，測溫范圍可取-200 °C～850 °C或0 °C～850 °C，其準確度最高可達±（0.15+2X10-3t） °C。
工業熱電阻溫度計測量所適用的國際標準主要有國際電工委員會的IEC 60751:2008“Industrial platinum resistance thermometers and platinumtemperature sensors”（工業鉑熱電阻溫度計及鉑感溫元件）、IEC 61152:1992“Dimensions of metalsheathed thermometer elements”（金屬護套式溫度計元件的尺寸）、IEC 61520:2000“metal thermowells for thermometer sensors – Functional dimensions”（感溫元件用金屬溫度套管-功能尺寸），美國機械工程師學會的ASME PTC 19.3-1974“Temperature measurement”（溫度測量）、ASME PTC 19.3TW-2010“The rmowe l l s”（溫度套管），美國材料與試驗學會的ASTM E644-11“Standard test methods for testing industrial resistance thermometers”（工業熱電阻溫度計測試方法）、ASTM E1137/E1137M-08 (2014)“Standard specification for industrial platinum resistance thermometers”（工業鉑熱電阻溫度計標準規范）、ASTM E2593-12“St a n d a r d guide for accuracy verification of industrial platinum resistance thermometers”（工業鉑熱電阻溫度計準確度檢驗導則）等。我國國家標準有GB/T 30121-2013“工業鉑熱電阻及鉑感溫元件”（等同采用IEC 60751:2008）、JJG 229-2010“工業鉑、銅熱電阻檢定規程”、JJG 684-2003“表面鉑熱電阻檢定規程”、JJF 1098-2003“熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范”等，行業制造標準有JB/T 8622-1997“工業鉑熱電阻技術條件及分度表” 、J B/T 8 6 2 3 -1997“工業銅熱電阻技術條件及分度表”等。工業用熱電阻溫度計主要由熱電阻感溫元件、內引線、保護管三部分構成。熱電阻感溫元件是用于傳感溫度的電阻器，又由熱電阻絲和絕緣骨架組成。常用金屬熱電阻絲材料有鉑、銅、鎳等，其主要特點見表1。常用絕緣骨架類型有云母骨架、玻璃骨架、陶瓷骨架和塑料骨架等。內引線是熱電阻溫度計出廠時自身所帶的引線，其作用是使感溫元件能與外部測量及控制裝置相連接，常用的材料有銀絲、銅絲和鎳絲等，接線方式有兩線制、三線制和四線制三種方式。
表1：常用熱電阻絲材料一覽表
保護管是用于保護感溫元件、內引線免受環境有害影響的管狀物，有可拆卸式和不可拆卸式兩種，其材質有金屬、非金屬等多種材料。
在所有的常用溫度測量儀表中，熱電阻的準確度最高。此外，熱電阻的穩定性、靈敏度、重復性、長期漂移量、線性度等指標均優于熱電偶，因而其使用中核驗成本相對較低。例如，在環境適宜時，熱電阻可在很長時間內保持0.1℃以下的穩定性。又如在0℃下用Pt100鉑熱電阻測溫，溫度每變化1℃，其電阻值約變化0.4Ω，若通過電流為2mA，則其電壓輸出值為800μV。
相比熱電偶而言，在相同條件下，即使采用靈敏度較高的K型熱電偶，其熱電動勢變化也只有約40μV。熱電阻對于EMI電磁干擾和RFI射頻干擾均不敏感。熱電阻最大的不足是其抗機械沖擊和振動性能差，熱響應時間長，不宜測量溫度瞬變劇烈的介質。因此，為改善熱電阻的使用性能，有時將熱電阻感溫元件，裝入經壓制、密實的氧化鎂類絕緣、有內引線的金屬套管內，焊接感溫元件與內引線后，再將裝有感溫元件的金屬套管端頭填充、焊封成堅實整體，形成所謂的鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻較之帶保護管的熱電阻，具有外徑尺寸小，響應速度快，抗振，可彎曲，使用方便，適于安裝在結構復雜的測溫部位，且感溫元件不接觸有害介質，使用壽命長等優點。
常用工業熱電阻溫度計，按其感溫元件結構，可分為繞線式（即將金屬絲繞在絕緣骨架上構成感溫元件，常用于環境惡劣場合，常用溫度范圍-200 °C～850 °C）、薄膜式（即采用真空鍍膜等方法制成純金屬膜，具有靈敏度高，響應快，外形尺寸小，便于安裝在狹小場所，成本低等特點。常用溫度范圍-200 °C～800 °C）和線圈式（采用小型感溫線圈，將其插入中空的高溫燒制陶瓷氧化管內，并用極細的陶瓷粉末填實，已開始取代繞線式。溫度范圍可達-200 °C～1000 °C）等類型。由于結構及用料原因，薄膜式熱電阻通常較繞線式耐振性能好，價格便宜，但繞線式較薄膜式測溫范圍較寬，準確度也更高。而線圈式則是繞線式的變種，由于采用感溫線圈及其獨特的安裝結構，線圈可隨溫度變化自由伸縮且不會變形，而且還不會受其它材料的接觸干擾，故適用于高準確度和快速響應的場合，但因制造較難，因而僅有某些發達國家開始在工業中大量采用。
熱電阻溫度計按其感溫元件材質， 可分為金屬導體和半導體兩大類。金屬類有鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻、銠鐵及鉑鈷合金熱電阻等。工業中應用最多的是鉑熱電阻和銅熱電阻。半導體類有鍺、碳和熱敏電阻等。鉑熱電阻常用使用溫度范圍為-200℃～850℃，具有準確度高，性能穩定，互換性好，超寬范圍內的極佳線性度等優點。值得說明的是，工業實際應用中有P t10、P t20、P t50、Pt100、Pt200、Pt300、Pt500、Pt1000和P t2000等分度號產品，而國家熱電阻標準中只規定了P t10和P t100兩種分度號，故在計算非標產品允許誤差時，應對標準值進行相應的換算。銅熱電阻具有電阻溫度系統較大，易制造，價格便宜，互換性和線性度好的優點，缺點是固有電阻太小，中溫易氧化等。故通常使用溫度范圍為-50℃～150℃，常用于測量電動機、柴油發電機、汽輪發電機的繞組溫度等。過去Cu50分度號熱電阻應用較為普遍，但現在基本讓位于Cu100和Cu1000分度號產品，因后者分辨率更高，準確度更好。鎳熱電阻的電阻溫度系統約為鉑的1.5倍，但制造工藝復雜，互換性差，300℃以上線性度不佳，故其測溫范圍通常為-50℃～300℃。國際上只有德國、美國等少數國家有應用。
銠鐵及鉑鈷合金熱電阻主要用于低溫測量，在低溫工程和深冷領域應用廣泛，如銠鐵熱電阻尤其適用于測量30K以下，甚至1K的超低溫。此外，熱敏電阻由于具有靈敏度高、電阻值高、體積小，結構簡單、響應時間短、功耗小、化學穩定性好、價格低廉等優點，近年來發展迅速，大量應用于家電、汽車等的溫度測量， 在- 4 0 ℃ ～350℃民用測溫場合，已基本取代傳統的溫度傳感器。但其主要缺點是，阻值與溫度關系呈非線性，元件的穩定性和互換性差，除特制高溫型外，通常不能用于350℃以上的高溫。
隨著技術的不斷進步，熱電阻溫度計發展趨勢主要表現在四個方面：一是向著更高精度、易用性和可靠性發展，如采用M12接頭的適于快速裝拆的RTD；二是輸出信號傳輸的無線化和網絡化；三是為滿足日益增高的安全需求，SIL1～SIL3功能安全級產品逐漸面市；四是傳感元件的小型化和微型化。如美國Burns Engineering公司推出的A04微型RTD敏感區長度僅為約7mm，測溫范圍-196 °C～200°C，采用三線制或四線制，精度高達0.05%，外護套采用直徑僅為2mm的非金屬P FA（聚全氟烷氧基樹脂），特別適宜于以蛇形方式伸入狹小場合進行低溫溫度測量。
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