浅析热电阻的常见故障及解决方法

丽水市质量检验检测研究院 蓝 卉 钟震京

热电阻是工业上广泛应用于中低温区温度测量的感温元件，它具有构造简单、测量精度高、性能可靠、使用方便等优点。由于使用的过程中受到一些因素的影响，常常会出现一些故障问题。本文基于热电阻的测温工作原理和测温方法，简要说明了热电阻在使用中常见的故障，分析了这些故障产生的原因，并提出了相应的解决方法。

工业上通常采用热电偶和热电阻来进行温度测量，前者适用于500℃以上的高温区，后者适用于500℃以下的中低温区。热电偶一般不适用于500℃以下的中低温区，主要原因是低温下热电偶的输出热电势非常的小，如若显示仪表的放大器、抗干扰性能不好，如果使用热电偶，通常很难实现精确测量。第二个原因是在温度较低的区域，由于冷端温度变化因素引起的不确定度也非常的大。因此采用热电阻测温仪测量中低温更为合适。热电阻通常与连接导线、显示控制调节仪等二次仪表组合成测温系统，即电阻温度计。与计算机配套使用能精确测量和控制工业生产中中低温区的温度，并且能够实现温度的实时记录和远传。一般热电阻主要由电阻体、引出线、绝缘子、保护套管和接线盒组成，这些部件都具有一定的使用寿命，所以使用后热电阻出现故障在所难免，因此分析故障原因及掌握故障解决方法是非常有必要的。

1 热电阻测温原理及结构形式

两者同属于接触式测量，但与热电偶基于热电效应的工作原理不同，热电阻是基于其电阻随温度的改变而改变，电阻与温度之间存在函数关系，即电阻的热效应，然后通过二次显示仪表测量热阻的电阻值来测量温度值。

一般情况下，金属热电阻的阻值Rt与温度t的关系如式(1)所示：

上述式子中，Rt——温度为t时的电阻值（Ω）；

Rt0——温度为t0时的电阻值（一般情况下t0为0℃）（Ω）；

Α——电阻温度系数（一般情况下它不是常数，在不同温度下具有不同数值）（℃-1）。

半导体热敏电阻的阻值和温度的近似关系式如式(2)所示：

式中：Rt——温度为t时的阻值；

A、B——常数，跟半导体材料和结构有关。

从电阻体的阻值随温度的变化来看，大多数金属导体都有这个特性，因而热电阻大部分都由纯金属材料制成。但并不是所有的电阻都能作为热电阻用于温度测量。因为工业上以金属材料作为测温热阻有严格的要求：要求他们的电阻温度系数应尽可能大且稳定，电阻率应大，热容量要小，化学和物理性能应在整个测温温度范围内稳定，材料的再现性应良好，适用于无腐蚀性介质，电阻值与温度变化之间最好是线性关系等。基于上述这些条件，工业中标准化生产的热电阻主要金属材料是铂丝和铜丝，此外还有镍、铁、铁—镍等。由于铂热电阻具有易净化提纯，稳定性高，性能可靠，测量精确度高的特点，因此它不仅在中低温区工业温度测量中广泛应用，还被用来制成标准的基准温度计。

根据结构特点，热电阻可分为普通热电阻、铠装热电阻、隔爆热电阻和端面热电阻四种类型。普通热电阻通常由感温元件电阻体、引出线、绝缘子、保护套管和接线盒等主要部件组成。普通型适用于环境条件良好，无腐蚀气氛的场所。在实际工作中，PT100铂热电阻得到了广泛的应用，主要由于它的高稳定性和良好的复制性。铠装热电阻是由金属保护套管、感温元件电阻体、引出线和绝缘材料等组合经冷拔、旋锻加工而成，它热惰性小，反应迅速，具有耐振动、抗冲击，可弯曲的性能，同时安装方便、使用寿命较长。隔爆热电阻通过特殊结构的接线盒，适用于有爆炸性气氛存在的场所。端面热电阻是经由特殊处理的感温元件电阻丝绕在靠近温度计前端的位置制做而成。端面热电阻同普通的轴向热电阻比较，在测量表面温度时，前者能更加准确、迅速地反映被测端面的实际温度状况。以上四种热电阻，使用时我们可以根据现场的实际状况来选用适合的热电阻。

热电阻温度测量系统的导线连接方式主要有三种。这三种分别是：两线制、三线制和四线制。

图1 热电阻接线方式

两线制：如图1所示，热电阻的两端分别接一根导线，用这两根导线引出电阻信号。这种接线方式非常容易，但是受导线材质和长度的影响，存在引线电阻，这会对测温精度产生较大影响，因此，这种接线方法只适合测温精度不是很高的场所。

三线制：如图1所示，热电阻的其中一端接一根导线，另外一端接两根导线。三线制通常采用电桥作为前置电路，能获得良好的抗干扰能力，有效地消除引线电阻对测量造成的影响。

四线制：如图1所示，热电阻的两端各引出两根导线，四线制没有电桥，通过导线为热电阻提供恒流源，将电阻信号转换为电压信号，通过二次仪表最后测得电阻值。因此，测温时，它不仅可以完全消除引线电阻带来的影响。还可以消除导线间接接触电阻及其阻值变化带来的影响。测量精确度高。精度比较高的标准铂电阻温度计的引出导线一般都采用这种接法。

终上所述，两线制仅适用于测温精度较低的场合。三线制有效的克服了引线电阻对测量的影响，它是工业过程控制中广泛采用的连接方式。四线制主要用于高精度温度测量。

2 热电阻在使用中常见的故障

简而言之，热电阻在使用过程中常见的故障现象有以下几种：

（1）热电阻显示仪表指示值低于实际值或指示值不稳定；

（2）热电阻的显示表指示无穷大；

（3）热电阻显示仪表指针向标尺下限走到头，指示负值；

（4）热电阻值与温度之间的关系发生了变化。

3 故障原因分析及解决方法

基于以上故障现象，根据热电阻的测温工作原理、测温方法和结构形式，进行了故障原因分析，并做出了相应的解决方法。

（1）原因分析：热电阻感温元件插入深度不够，元件未推到保护壳端部或者可能由于使用环境较差，热电阻的保护套管内进了灰尘、金属屑、水渍、接线盒的接线端子间有污垢或热电阻短路。解决方法：查出所用套管长度，选择合适长度的热阻元件，安装时确保热阻元件推到套管端部；倒出水渍或消除灰尘、金属屑，并把湿的部分擦干，但不要用火烤。同时，密封保护套，防止水再次进入；使用万用表找出热阻电路的短路或接地位置。如果热阻短路，修理或更换。

（2）原因分析：可能由于使用频繁造成热电阻断路，引出线短路或与接线盒端子松开或氧化等。解决方法：可用万用表找出断路位置，判断是引出线、接线盒端子松开还是热电阻断路，如是接线盒子端子松开则焊接接点或拧紧接线螺丝；或如是引接导线断路则去除氧化部分或者更换导线等；如是热电阻断路，应进行修理或更换。

(3）原因分析：显示控制仪表和热电阻之间的导线连接错误或者热电阻短路。解决方法：使用万用表检查并确定短路位置。热阻接线有误时，应纠正接线，加强绝缘；热阻短路时，应修理或更换。

（4）原因分析：高温遭受氧化或受化学腐蚀后热电阻丝材料腐蚀变质；解决方法：及时更换热电阻。

通过以上分析，我们了解热电阻的测量原理，根据实际工作情况判断故障原因并进行故障处理，这对我们检定工作的顺利进行和测量的准确性、可靠性都是十分有利的。

结语：在使用热电阻时，根据测量温度和测量对象来选择合适的热电阻。环境条件良好时，可选用普通型。在特殊环境使用热电阻时应该注意配备保护套管。虽然大多数热电阻的生产商使用的外表材料都会具有一定的防腐蚀性，但是如果在腐蚀性环境或者是介质中使用热电阻，那么就需要额外购买防腐蚀性比较强的保护套管，套在热电阻的外面，以保护热电阻不被工作环境损害。

在安装完毕后对潮湿环境中的热电阻的盖子要周期的打开，并且要防止生锈，以免打不开无法维护。热电阻使用前必须核查它是否能正常工作，比较简单的核查方法是用万用表测量它的电阻值。例如PT100热电阻，根据它阻值与温度之间的分度表，0℃时对应R0值100Ω，如果万用表测得电阻数据为零或者小于R0值，那么该热电阻已经短路必须进行修复或更换；如果万用表测得数据为无穷大，那么该热电阻已经断路，不能使用；如果万用表测得的电阻数据稍大于R0，说明该热阻正常。