2.1.2 金属热电阻
利用电阻随温度变化特性制成的传感器称为热电阻传感器。它主要用于对温度或与温度有关的参量进行检测。在工业上被广泛用来测量-200～+500℃范围内的温度。按热电阻性质的不同，热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。图2-5所示为热电阻传感器。
图2-5 热电阻传感器
1.金属热电阻的温度特性
热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性制成的感温组件。当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及大小，这就是热电阻测温的基本工作原理。
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
（1）铂电阻
铂电阻是目前公认的制造热电阻的最好材料，它的测温范围广，精度高，稳定性好，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。其缺点是电阻温度系数小，价格较高。铂电阻主要用于制成标准电阻温度计，国标温度标准ITS—1990规定，在-259.34～630.74℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。
当温度t在-200～0℃范围内时，铂的电阻值Rt与温度t的关系可表示为
Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3（t-100）] （2-1）
当温度t在0～850℃范围内时，铂的电阻值Rt与温度t的关系可表示为
Rt=R0（1+At+Bt2） （2-2）
由式（2-1）和式（2-2）可知，热电阻的阻值Rt不仅与t有关，还与其在0℃时的电阻值R0有关，即在同样温度下，R0值不同，Rt的值也不同。式中系数A=3.96847×10-3/℃，B=-5.847×10-7/℃2，C=-4.22×10-12/℃4。
例：求温度0℃时电阻值为100Ω的铂电阻在温度为50℃时的电阻值。
解：由式（2-2）代入系数得
Rt=R0（1+At+Bt2）
=100（1+3.96847×10-3×50-5.847×10-7×502）Ω
=119.69Ω
注意
在精度要求不高的场合，可以忽略式（2-1）和式（2-2）的高次项，近似认为阻值Rt与温度t成线性关系。
目前，国内统一设计的工业常用铂电阻的R0值为10Ω和100Ω，表示0℃时的电阻值为10Ω和100Ω，并将R0与t相应关系列成表格形式，称为分度表，对应铂电阻的分度号分别用Pt10和Pt100表示。实际应用中，为了方便可从分度表中查得与Rt相对应的温度值t，Pt100铂热电阻分度表如表2-2所示。
表2-2 Pt100铂热电阻分度表
分析
由公式计算的电阻值和查表所得电阻值是否相同？哪个更准确些？
（2）铜电阻
铜电阻的优点是价格便宜，纯度高，重复性好，电阻温度系数大，电阻值与温度之间为线性关系；主要缺点是电阻率小，所以制成的电阻与铂材料相比，铜电阻要细，造成机械强度不高，体积较大，而且铜电阻容易氧化，测温范围小，一般为-50～+150℃。
铜的电阻值与温度之间的关系，可表示为
Rt=R0（1+αt） （2-3）
式中，α为铜电阻的电阻温度系数，α=（4.25～4.28）×10-3/℃。
工业上常用的铜电阻的R0值为50Ω和100Ω，对应铜电阻的分度号用Cu50和Cu100表示。铜热电阻Cu50分度表如表2-3所示。
表2-3 铜热电阻Cu50分度表
2.热电阻传感器的结构类型
热电阻按其保护管结构形式分为以下几种：
（1）装配式热电阻
如图2-6所示，装配式热电阻主要由接线盒、接线端子、保护套管、绝缘套管、热电阻组件构成，并配以各种安装固定装置。工业用WZ系列装配式热电阻可直接和二次仪表相连接使用，可以测量各种生产过程中-200～420℃范围内的液体、蒸气和气体介质及固体表面的温度。目前，现场应用较多的装配式热电阻主要包括分度号为Pt100的铂热电阻和分度号为Cu50的铜热电阻两大类。
（2）铠装热电阻
铠装热电阻是由电阻体、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-7所示。铠装热电阻的力学性能好、耐振、抗冲击，与装配式热电阻相比，它的直径小、易弯曲、适宜安装在装配式热电阻无法安装的场合。其外保护管采用不锈钢，内部充满高密度氧化物绝缘体，因此具有很强的抗污染能力和优良的机械强度，能在环境较为恶劣的场合使用。
图2-6 装配式热电阻的外形及结构
1—接线盒；2—接线端子；3—保护套管；
4—绝缘套管；5—热电阻组件
图2-7 铠装热电阻
（3）端面热电阻
端面热电阻感温组件由特殊处理的电阻丝绕制，紧贴在温度计端面，如图2-8所示。端面热电阻与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴和其他机件的端面温度。
（4）隔爆型热电阻
隔爆型热电阻（见图2-9）通过特殊结构的接线盒，将其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。隔爆型热电阻可用于B1a～B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。
图2-8 端面热电阻
图2-9 隔爆型热电阻
3.金属热电阻传感器的测温电路
最常用的金属热电阻传感器测温电路是电桥电路，如图2-10所示。图中R2、R3、R4和Rt（R2=R3=R4=Rt=R）组成电桥的4个桥臂，其中Rt是热电阻，其余3个电阻为固定电阻，当电阻变化量为∆R时，电桥的输出电压为
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次组件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其他一次仪表上。
分析
热电阻的引线对测量结果有无影响？怎么消除影响？
由于热电阻本身电阻值较小，而工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。为了消除导线电阻的影响，一般采用三线制连接法。
如图2-11所示，在热电阻根部的一端连接一根导线，另一端连接两根导线的方式称为三线制，它可以较好地消除连接导线电阻引起的测量误差。三线制是工业过程控制中最常用的，这种方式通常与电桥配套使用，将一根导线接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样就消除了导线电阻带来的测量误差。
图2-10 热电阻测温电路
图2-11 热电阻测温电桥的三线制接法
注意
在高精度的温度检测中还可采用四线制，即在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式，其中两根导线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根导线把U引至二次仪表。这种连接方式可完全消除导线电阻的影响。
4.金属热电阻传感器的主要技术指标
某公司生产的WZPK铠装铂电阻可对-200～600℃温度范围内的气体、液体介质和固体表面温度进行自动检测，并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用。由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供精确的输入值。
主要技术指标如下：
①精度等级：A级；
②测量范围：Pt100为-200～+600℃；
③绝缘电阻：环境温度为15～35℃，相对湿度不大于80％，试验电压为10～100V（直流），电极与外套管之间的绝缘电阻大于100mΩ。