淺析熱電阻的常見故障及解決方法

麗水市質量檢驗檢測研究院 藍 卉 鐘震京

熱電阻是工業上廣泛應用于中低溫區溫度測量的感溫元件，它具有構造簡單、測量精度高、性能可靠、使用方便等優點。由于使用的過程中受到一些因素的影響，常常會出現一些故障問題。本文基于熱電阻的測溫工作原理和測溫方法，簡要說明了熱電阻在使用中常見的故障，分析了這些故障產生的原因，并提出了相應的解決方法。

工業上通常采用熱電偶和熱電阻來進行溫度測量，前者適用于500℃以上的高溫區，后者適用于500℃以下的中低溫區。熱電偶一般不適用于500℃以下的中低溫區，主要原因是低溫下熱電偶的輸出熱電勢非常的小，如若顯示儀表的放大器、抗干擾性能不好，如果使用熱電偶，通常很難實現精確測量。第二個原因是在溫度較低的區域，由于冷端溫度變化因素引起的不確定度也非常的大。因此采用熱電阻測溫儀測量中低溫更為合適。熱電阻通常與連接導線、顯示控制調節儀等二次儀表組合成測溫系統，即電阻溫度計。與計算機配套使用能精確測量和控制工業生產中中低溫區的溫度，并且能夠實現溫度的實時記錄和遠傳。一般熱電阻主要由電阻體、引出線、絕緣子、保護套管和接線盒組成，這些部件都具有一定的使用壽命，所以使用后熱電阻出現故障在所難免，因此分析故障原因及掌握故障解決方法是非常有必要的。

1 熱電阻測溫原理及結構形式

兩者同屬于接觸式測量，但與熱電偶基于熱電效應的工作原理不同，熱電阻是基于其電阻隨溫度的改變而改變，電阻與溫度之間存在函數關系，即電阻的熱效應，然后通過二次顯示儀表測量熱阻的電阻值來測量溫度值。

一般情況下，金屬熱電阻的阻值Rt與溫度t的關系如式(1)所示：

上述式子中，Rt——溫度為t時的電阻值（Ω）；

Rt0——溫度為t0時的電阻值（一般情況下t0為0℃）（Ω）；

Α——電阻溫度系數（一般情況下它不是常數，在不同溫度下具有不同數值）（℃-1）。

半導體熱敏電阻的阻值和溫度的近似關系式如式(2)所示：

式中：Rt——溫度為t時的阻值；

A、B——常數，跟半導體材料和結構有關。

從電阻體的阻值隨溫度的變化來看，大多數金屬導體都有這個特性，因而熱電阻大部分都由純金屬材料制成。但并不是所有的電阻都能作為熱電阻用于溫度測量。因為工業上以金屬材料作為測溫熱阻有嚴格的要求：要求他們的電阻溫度系數應盡可能大且穩定，電阻率應大，熱容量要小，化學和物理性能應在整個測溫溫度范圍內穩定，材料的再現性應良好，適用于無腐蝕性介質，電阻值與溫度變化之間最好是線性關系等?；谏鲜鲞@些條件，工業中標準化生產的熱電阻主要金屬材料是鉑絲和銅絲，此外還有鎳、鐵、鐵—鎳等。由于鉑熱電阻具有易凈化提純，穩定性高，性能可靠，測量精確度高的特點，因此它不僅在中低溫區工業溫度測量中廣泛應用，還被用來制成標準的基準溫度計。

根據結構特點，熱電阻可分為普通熱電阻、鎧裝熱電阻、隔爆熱電阻和端面熱電阻四種類型。普通熱電阻通常由感溫元件電阻體、引出線、絕緣子、保護套管和接線盒等主要部件組成。普通型適用于環境條件良好，無腐蝕氣氛的場所。在實際工作中，PT100鉑熱電阻得到了廣泛的應用，主要由于它的高穩定性和良好的復制性。鎧裝熱電阻是由金屬保護套管、感溫元件電阻體、引出線和絕緣材料等組合經冷拔、旋鍛加工而成，它熱惰性小，反應迅速，具有耐振動、抗沖擊，可彎曲的性能，同時安裝方便、使用壽命較長。隔爆熱電阻通過特殊結構的接線盒，適用于有爆炸性氣氛存在的場所。端面熱電阻是經由特殊處理的感溫元件電阻絲繞在靠近溫度計前端的位置制做而成。端面熱電阻同普通的軸向熱電阻比較，在測量表面溫度時，前者能更加準確、迅速地反映被測端面的實際溫度狀況。以上四種熱電阻，使用時我們可以根據現場的實際狀況來選用適合的熱電阻。

熱電阻溫度測量系統的導線連接方式主要有三種。這三種分別是：兩線制、三線制和四線制。

圖1 熱電阻接線方式

兩線制：如圖1所示，熱電阻的兩端分別接一根導線，用這兩根導線引出電阻信號。這種接線方式非常容易，但是受導線材質和長度的影響，存在引線電阻，這會對測溫精度產生較大影響，因此，這種接線方法只適合測溫精度不是很高的場所。

三線制：如圖1所示，熱電阻的其中一端接一根導線，另外一端接兩根導線。三線制通常采用電橋作為前置電路，能獲得良好的抗干擾能力，有效地消除引線電阻對測量造成的影響。

四線制：如圖1所示，熱電阻的兩端各引出兩根導線，四線制沒有電橋，通過導線為熱電阻提供恒流源，將電阻信號轉換為電壓信號，通過二次儀表最后測得電阻值。因此，測溫時，它不僅可以完全消除引線電阻帶來的影響。還可以消除導線間接接觸電阻及其阻值變化帶來的影響。測量精確度高。精度比較高的標準鉑電阻溫度計的引出導線一般都采用這種接法。

終上所述，兩線制僅適用于測溫精度較低的場合。三線制有效的克服了引線電阻對測量的影響，它是工業過程控制中廣泛采用的連接方式。四線制主要用于高精度溫度測量。

2 熱電阻在使用中常見的故障

簡而言之，熱電阻在使用過程中常見的故障現象有以下幾種：

（1）熱電阻顯示儀表指示值低于實際值或指示值不穩定；

（2）熱電阻的顯示表指示無窮大；

（3）熱電阻顯示儀表指針向標尺下限走到頭，指示負值；

（4）熱電阻值與溫度之間的關系發生了變化。

3 故障原因分析及解決方法

基于以上故障現象，根據熱電阻的測溫工作原理、測溫方法和結構形式，進行了故障原因分析，并做出了相應的解決方法。

（1）原因分析：熱電阻感溫元件插入深度不夠，元件未推到保護殼端部或者可能由于使用環境較差，熱電阻的保護套管內進了灰塵、金屬屑、水漬、接線盒的接線端子間有污垢或熱電阻短路。解決方法：查出所用套管長度，選擇合適長度的熱阻元件，安裝時確保熱阻元件推到套管端部；倒出水漬或消除灰塵、金屬屑，并把濕的部分擦干，但不要用火烤。同時，密封保護套，防止水再次進入；使用萬用表找出熱阻電路的短路或接地位置。如果熱阻短路，修理或更換。

（2）原因分析：可能由于使用頻繁造成熱電阻斷路，引出線短路或與接線盒端子松開或氧化等。解決方法：可用萬用表找出斷路位置，判斷是引出線、接線盒端子松開還是熱電阻斷路，如是接線盒子端子松開則焊接接點或擰緊接線螺絲；或如是引接導線斷路則去除氧化部分或者更換導線等；如是熱電阻斷路，應進行修理或更換。

(3）原因分析：顯示控制儀表和熱電阻之間的導線連接錯誤或者熱電阻短路。解決方法：使用萬用表檢查并確定短路位置。熱阻接線有誤時，應糾正接線，加強絕緣；熱阻短路時，應修理或更換。

（4）原因分析：高溫遭受氧化或受化學腐蝕后熱電阻絲材料腐蝕變質；解決方法：及時更換熱電阻。

通過以上分析，我們了解熱電阻的測量原理，根據實際工作情況判斷故障原因并進行故障處理，這對我們檢定工作的順利進行和測量的準確性、可靠性都是十分有利的。

結語：在使用熱電阻時，根據測量溫度和測量對象來選擇合適的熱電阻。環境條件良好時，可選用普通型。在特殊環境使用熱電阻時應該注意配備保護套管。雖然大多數熱電阻的生產商使用的外表材料都會具有一定的防腐蝕性，但是如果在腐蝕性環境或者是介質中使用熱電阻，那么就需要額外購買防腐蝕性比較強的保護套管，套在熱電阻的外面，以保護熱電阻不被工作環境損害。

在安裝完畢后對潮濕環境中的熱電阻的蓋子要周期的打開，并且要防止生銹，以免打不開無法維護。熱電阻使用前必須核查它是否能正常工作，比較簡單的核查方法是用萬用表測量它的電阻值。例如PT100熱電阻，根據它阻值與溫度之間的分度表，0℃時對應R0值100Ω，如果萬用表測得電阻數據為零或者小于R0值，那么該熱電阻已經短路必須進行修復或更換；如果萬用表測得數據為無窮大，那么該熱電阻已經斷路，不能使用；如果萬用表測得的電阻數據稍大于R0，說明該熱阻正常。