工业热电阻温度计的选型探索

曹 旸

（中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306）

0 引言

工业热电阻温度计是利用金属导体在不同温度下的电阻值变化来反映温度变化的测温仪器，是目前工业生产领域测温及控温系统中最常见的温度传感器之一。它具有精度高，复现性佳，稳定性好，结构简单，使用寿命长等特点。尤其是在中低温段的温度测量，热电阻相比热电偶以及玻璃液体温度计具有更加明显的使用优势。热电偶在低温段时，自身热电势很小，易受到设备及环境影响；玻璃液体温度计结构脆弱，易损坏且无法实现电信号传输，因而在现代工业自动化监测系统中极少使用。铂和铜是目前工业热电阻最常见的材料，镍、锰、铑等材料也有所研究。铂电阻测量精度高，稳定性好，可用于中性及氧化性介质中，温度-电阻关系呈非线性；铜电阻适用于无腐蚀介质中，测温范围通常为-50℃～150℃，超过150℃则易被氧化，其电阻与温度呈线性关系[1]。

目前，市面上工业热电阻温度计形式种类繁多，以满足各类生产场所及实验室的使用需求。如何选用合适的工业热电阻进行测温需经过仔细选型，才能同时实现可测和测准两方面要求。

1 测温范围及精度

在进行热电阻的选型时，最优先的是要确定测温范围和测温精度要求。

目前，热电阻的测温范围可达-200℃～850℃。以铂电阻为例，其精度等级按标准可分为AA 级，A 级、B 级和C 级，国外制造商可能会按照其他标准进行精度定义，如某些Pt100 铂RTD 具有1/10DIN 或1/3DIN（德国标准）精度等级。但需注意的是，等级与其有效测温范围是相对应的。如国家计量检定规程JJG229-2010 中，明确给出A 级线绕式铂电阻的有效温度范围仅有-100℃～450℃。因此，在选用某一等级的热电阻时，需关注其有效测温范围，超出有效温度范围的其他温度部分，则以制造商在技术条件中给出的为准。通常制造商会直接分段给出不同范围内的精度，如在产品说明中给出-50℃～300℃满足A 级，在300℃～500℃内为B 级精度。在选型中，需根据使用条件，综合考虑所需的温度范围及精度/温度允差要求，选择合适的产品，不必为了追求测量范围广、精度高而增加工业生产成本。

2 热电阻接线方式的选择

热电阻温度计在测量时，感温端与终端显示仪表的距离关系着引线的长短，而引线越长，引线电阻越大。如果没有采用合理的接线方式，将会使引线电阻被引入测量结果中，从而造成测量误差结果偏大。

工业热电阻根据接线方式，可以分为二线制、三线制和四线制3 种。

二线制是最简单的接线方式，但在其测量系统中，热电阻的引线电阻无法被消除，且由于引线电阻未知而使其被直接计入热电阻的阻值中，造成温度测量结果偏差较大。根据热电阻的电阻率计算，即使较小的电阻测量误差也会引入较大的温度偏差[2]，因此二线制连接方式只适用于连接导线短，且精度要求低的生产场所。

三线制考虑了引线电阻带来的影响，其在二线制的基础上加了一根补偿导线，其补偿的依据是假设3 根引线的引线电阻及接触电阻均相等[3]。在电桥测量线路中，当热电阻3 根引线材质、直径、长度等基本一致，即使3 根引线的电阻差别越小时，引线电阻引入的误差影响也越小。由于这种接线方式可以减小引线电阻的影响[4]，测温精度较二线制高，引线数量较四线制少，成本低，因而三线制是目前工业生产中最常见的一种接线方式，尤其是在连接导线较长，需兼顾测量精度与经济成本的场所。

四线制连接方式可以完全依靠测量线路消除引线电阻影响，因此对导线几乎没有要求，测得的电阻即热电阻本身的电阻值，最终得到的也是真实的温场温度。它的测温精度最高，被广泛用于实验室中的高精度温度测量，作为计量标准器的标准铂电阻温度计，通常采用的也是四线制连接方式。

图1 热电阻结构类型Fig.1 Structure type of resistance thermometer

总而言之，热电阻接线方式的选择，需综合考虑测量性能要求及生产成本要求，以求达到准确性和经济性的双重满足。

3 热电阻结构类型

热电阻按结构可分为线绕元件式和薄膜元件式，线绕式是目前最为常见的类型，其感温金属丝缠绕在某种材质的芯体上，因此称为线绕式；薄膜式则是将感温金属嵌于薄片基体上制成。目前，使用中比较常见的热电阻探针均采用的是线绕式，通过选用不同基体、保护套管、连接线等实现在不同场合的应用。薄膜式热电阻除具有常规热电阻的性能外，还具有体积小、电阻温度系数高、热容量小、热响应快、耐振动、耐冲击的特点，适用于安装位置小，需要快速响应的测温系统中，在诸如电子设备的热测试等领域有着广泛应用。但使用时，需注意薄膜式热电阻的最大工作电流远小于线绕式，其体积小、热容小的特点，使其自热系数高于线绕式，过大的电流将会对其温度测量带来较大的误差[5]。因此，通常薄膜式热电阻产品一定会给出其自热系数，使用者需关注。

4 基体材质、保护套管材质

由于线绕式和薄膜式热电阻均是将金属丝固定于某一材质的基体上加工而成的，因而基体材质与热电阻元件的整体使用性能有很大关系。有实践表明，绕线式热电阻受到振动、冲击时，会导致感温丝变形弯曲而产生应力，进而使其温度电阻特性发生改变[6]。因此，某些工况下，应选用芯体材质具有良好抗冲击性的热电阻。目前，常见的芯体材质主要有陶瓷、玻璃等，陶瓷材质的芯体可适用于极低和极高温度条件下，可耐热冲击，但是其抗振能力有限且只能在干燥的环境中使用。玻璃材质可适应低温及极高温，可耐热冲击，抗振性能优于陶瓷。此外，薄膜式热电阻通常会选用硅片为基体材质。

金属丝如铂丝在高温下，容易被还原性气氛所污染，导致其电阻温度特性改变，测温不准。因此，热电阻在制造中，需加装套管进行封装保护，方可使用。套管材质也需根据使用环境进行选择，除选与基体同材质进行封装外，在酸碱等易腐蚀的环境中，还会采用不锈钢等材质的套管，或对套管表面进行处理，提高表面光洁度，增强耐腐蚀性，以延长热电阻使用寿命。薄膜式热电阻也会通过涂保护膜等手段来增加其环境适应性。

选用何种芯体材质以及保护套材质，均与热电阻温度计的使用环境息息相关，选用合适的材质，才能保证热电阻使用长久。

5 响应时间

热电阻插入温场后，需经过一定时间才能与介质达到热平衡，这就是热电阻的响应时间。尤其在带有一定流速的气体或液体中，温度往往是一个动态变化的过程，当利用热电阻进行动态温度测量时，需尤其关注热电阻的动态响应特性。有研究表明，热电阻的响应时间主要与热电阻本身性质、介质、流速等有关，而温度的阶跃变化量对热电阻的热响应时间影响并不大[7]。在相同使用条件下，同一热电阻的动态响应特性数学模型结构一致，根据介质的不同，其模型中的参数会发生变化[8]。因此，对动态响应有需求的客户在选型时，需说明测量介质及流速等影响因素，通常厂家会给出热电阻在某种介质及流速状态下的响应数据，以供参考。例如，OMEGA 1PT100GX1510 型热电阻在1m/s 流速的空气中，达到90%响应的响应时间为7s。因此，如想要快速反应被测环境温度变化，应选择温度响应速度快的热电阻。

此外，有研究表明：响应速度的快慢还与插入深度有关。因此，热电阻的安装也需注意，如果热电阻安装不合理，可能使其温度响应时间达到几分钟，从而导致测温错误[9]。在用于精密气流测量时，厂家还会在热电阻保护套管前端开有气流孔，通过加工手段让温度感应端实现更快、更准的测量目的。选型时，需根据测温系统的响应要求进行选取。

6 探头长度、直径、形状、曲直

选取热电阻探针的长度、直径、形状、曲直等因素，首先与热电阻的安装空间有关。一般认为，热电阻安装后插进被测气体或液体的深度需大于热电阻保护管外径的8 ～10 倍，除保证与被测温场的充分接触外，还可以尽量让热电阻在长度方向热胀变形[10]。插入深度不足是目前实际工作现场发现的，是造成测温不准的最常见原因之一。

图2 强迫性弯折热电阻造成的保护套断裂Fig.2 Fracture of protective casing caused by forced bending

探头直径的选取除与空间有关外，还与探头受力情况及对温度变化的响应要求有关。在带有一定流速的流体中，探针会受到一定的侧向力，探头直径需保证其在长期受力情况下不发生折损。但是越细的探头灵敏度越高，在对响应速度有要求的测温环境中，探针直径越小越好。因此，选型中需综合考虑这两方面因素。此外，探针的形状设计有时也与这两个因素相关，如外壳设计为阶梯形或锥形，这种在探针尖端将直径减小的操作就是为了在满足整体强度要求的情况下，实现快速响应。

在弯曲的安装空间中，目前很多制造商都直接生产有90°弯曲的货架产品，有些制造商还生产有可弯曲探头的热电阻探针，但其对可弯曲的长度范围、角度以及弯曲的最小半径均有限制，使用者应按要求进行使用。切勿对不可弯折的探针生掰硬扭，否则极易造成热电阻外保护壳断裂（如图2 所示），失去保护功能。

7 其他选型要点

除了以上要点，热电阻的选型还有其他需要考虑的方面，但基本是可以通过要求厂家选配或后期改造实现的。例如，热电阻探针的安装接口，可根据整体设备的建造，选用螺纹连接、法兰连接等连接方式；如热电阻连接线的接头采用直接裸端导线、音频连接器、铲形接线片，OTP连接器等多种连接形式。

8 结论

在热电阻的选型中，使用目的、使用场所、使用环境等是决定着最终使用何种产品的主要因素。测温范围和精度要求是选型热电阻时首要考虑且必须达到的要求，是选型最基本的考虑点；三线制热电阻是目前工业生产场所最常采用的线制，而四线制是实验室里最常用的热电阻线制；薄膜式热电阻的使用场所限制比较多，因此工业上线绕式热电阻产品更多，使用范围更广；基体材质、保护套管材质、热电阻响应时间、探头几何尺寸等都是与使用条件关系密切的要素，须按需选择。实际上，面对如此繁多的热电阻产品，技术人员首先应该做的就是明确自己的需求，需求越全面仔细，越容易定位目标产品，但反之，需求越简单，可供选择的产品也越多。

热电阻本身的选型是影响整个测量系统使用性能的最重要一环，但并非唯一一环。热电阻的安装、接线端的连接质量，测温电路的设计以及外引线的材质、绝缘处理等都会影响整个温度测量系统的准确性，有时甚至会影响生产安全[11]。因此，整个测温系统的最终使用效果是一个各部件、各环节全面协调的结果，需要技术人员的全面了解和重视。