什么是热阻?

热阻是中低温地区最常用的温度检测器之一。

热阻测温法基于金属导体电阻值随温度升高而增大的特性。其主要特点是测量精度高、性能稳定。

其中,铂热阻的测量精度最高,不仅广泛应用于工业温度测量,而且已成为行业标准。

热阻大多由纯金属材料制成,最常用的是铂和铜。此外,镍、锰、 等材料也被用于制造热阻。

金属热阻常用的温度传感材料有很多种,其中铂丝是最常用的。

除了铂丝之外,用于工业测量的金属热阻材料还包括铜、镍、铁、铁镍合金等。

热阻的特点

  • 物理化学性质稳定,测量精度高,耐腐蚀,使用寿命长。
  • 电阻的温度系数应大,即灵敏度高。
  • 电阻率应高,以减小热阻并降低温度测量的时间常数。
  • 比热容应小,以减小电阻体的热惯性,从而提高响应灵敏度。
  • 线性度好,即电阻与温度之间的关系呈线性或平滑曲线。
  • 易于加工,价格低廉,可降低制造成本。
  • 重复性好,便于批量生产和零件互换。

热阻测量原理

热阻的温度测量原理与 热电偶 不同,它基于电阻的热效应来测量温度。也就是说,电阻器的阻值会随温度变化。

因此,只要测量温度传感热阻的阻值变化,就可以测量温度。热阻主要分为金属热敏电阻和半导体热敏电阻两种类型。

金属热敏电阻的阻值与温度的关系通常可以用以下近似关系式表示:
即:Rt=Rt0[1+α(t-t0)]

其中:
Rt 为温度 t 时的阻值;
Rt0 为温度 t0 时的对应阻值(通常 t0=0℃);
α 为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值与温度的关系式为:Rt=AeB/t

其中 Rt 为温度 t 时的阻值;
A 和 B 是取决于半导体材料结构的常数。

相比之下,热敏电阻的温度系数更大,室温下的电阻值更高(通常在几千欧姆)。但其互换性较差,非线性也较为严重,温度测量范围仅为 -50~300℃ 左右。它广泛应用于家用电器和汽车的温度检测与控制。

了解更多:维基百科“热阻”条目

常见类型的热阻

铂热阻的特点是测量精度高、稳定性好、性能可靠。

然而,在还原性介质中,尤其是在高温下,铂热阻容易被氧化物还原产生的蒸汽污染并变脆,从而改变电阻与温度的关系。

为了克服上述缺点,应将铂热阻芯体安装在保护套管内。

铜热敏电阻常用于工业领域,测量-50℃~+150℃范围内的温度。

铜易于提纯,且比铂金便宜得多。其电阻温度系数较大,且与温度呈线性关系。因此,在制作相同阻值的热敏电阻时,与铂金相比,在电阻丝长度相同的情况下,铜电阻丝会非常细,机械强度也会降低。在丝径相同的情况下,铜电阻丝的长度会增加很多倍,体积也会增大。

此外,铜在100℃以上容易氧化,耐腐蚀性差,因此其工作温度通常不超过150℃。

镍热阻的温度系数较大,灵敏度高于铂和铜。它常用于测量-60℃至+180℃范围内的温度。

由于镍热阻的制造工艺复杂,难以获得温度系数α相同的镍丝。因此,其测量精度低于铂热阻。我国目前规定的标准镍热阻刻度等级为Ni100、Ni300和Ni500。

半导体点温计是一种以锰、镍、铜、铁等金属氧化物为温度测量元件的热敏电阻。其形状有珠状、圆形、垫圈状和片状等。常用的有61型珠状和微型珠状半导体热敏电阻。

与普通热阻不同的是,半导体热敏电阻具有负温度系数。随着温度升高,电阻值降低。其变化范围也很大,温度系数α可达-2%至-7%,比金属热阻大10到100倍。因此,可以使用精度要求较低的显示仪器。

热阻 vs 热导率

热导率,也称为“导热系数”[1],是衡量材料导热性能的指标。符号为λ或K。
它指的是单位时间内通过单位水平横截面积传递的热量,此时垂直向下的温度梯度为1°C/m。

其具体定义如下:在物体内部,垂直于热传导方向,取两个相距1米、面积为1平方米的平行平面。如果两个平面之间的温差为1K,则热量将在1秒内从一个平面传导到另一个平面。传递的热量即为该物质的热导率。其单位为:watt · m-1 · Kai-1 (W · m-1 · K-1)。

如果没有热损失,对于一个具有平行相对面的块状材料,其热导率为:
E/t=λA(θ2-θ1)/ι

公式中,E为时间t内传递的能量,A为横截面积。其中 ι 为长度。θ2 和 θ1 分别为两段的温度。

一般而言,有:
dE/dt=-λAdθ/dι

热阻示例问题

故障排除原因排除方法
仪器显示值低于实际值或显示值不稳定保护管内有金属屑、灰尘,端子间有污垢,热阻短路(水滴等)。清除金属屑,清理灰尘、水滴等,找出短路点,加强绝缘等。
显示值无穷大可能是热阻或引线断开、连接端子松动等原因。请更换电阻本体,或焊接并拧紧接线螺丝等。
电阻与温度的关系发生了变化铂电阻丝材料腐蚀劣化更换热阻
仪表显示值为零或负值热敏电阻接线错误、热敏电阻短路或电缆短路请纠正接线,查找短路点,加强绝缘,更换电阻本体或电缆。

温度范围和容差等级

刻度容差等级线绕式元件有效温度范围膜片式元件有效温度范围温度测量范围
Pt100AA-50~2500~150±(0.1+0.0017丨t丨 )
Pt100A-100~450-30~300±(0.15+0.002丨t丨 )
Pt100B-196~600-50~500±(0.3+0.005丨t丨 )
Pt100C-196~600-50~600±(0.6+0.01丨t丨 )
Pt100-50~150±(0.3+0.006丨t丨 )
t = 温度,绝对值,单位为摄氏度

无固定器件的热阻

Thermal resistance with no-fixed device  1

WZP-120 WZP -120 2 WZP-120G WZP -120G 2 WZP-121 WZP -121 2 WZP- 121G WZP -121G 2 WZP- 130 WZP -130 2 WZP- 130G WZP -130G 2 WZP- 131 WZP -131 2 WZP- 131G WZP -131G 2 WZC-120G WZC-120 WZC-130 WZC-130G WZC-121 WZC-121G WZC-131 WZC-131G

1)120型和121型为防弹簧型,防护等级为IP65;130型和131型为防水型,防护等级为IP55。2)保护管材质为1Cr18Ni9Ti,其余材质按协议订购。

固定螺钉式热阻

Fixed screw type thermal resistance  1

WZP-220 WZP -220 2 WZP-220G WZP -220G 2 WZP-221 WZP -221 2 WZP- 221G WZP -221G 2 WZP- 230 WZP -230 2 WZP- 230G WZP -230G 2 WZP- 231 WZP -231 2 WZP- 231G WZP -231G 2 WZC-220 WZC-220G WZC-230 WZC-230G WZC-221 WZC-221G WZC-231 WZC-231G

1) 220 型和 221 型为防溅型,防水等级为 IP65;230 型和 231 型为防水型,防护等级为 IP55。2) 保护管材质为 1Cr18Ni9Ti,其余材质按协议订制。3) 额定压力 ≤4.0MPa。

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