影响Pt100温度传感器热响应时间的因素

蒋鹏，张萍

（宁波中车时代传感技术有限公司，浙江 宁波 315000）

影响Pt100温度传感器热响应时间的因素

蒋鹏，张萍

（宁波中车时代传感技术有限公司，浙江 宁波 315000）

随着高速铁路的飞速发展，轨道车辆安全可靠性受到了人们的高度关注。Pt100温度传感器是车辆监测系统的重要组成部分，其性能直接关系到车辆运行的安全性和可靠性。针对影响热响应时间的几个因素展开分析，希望能为相关人员日后工作的顺利进行提供参考。影响热响应时间的因素包括，核心元件的影响，即Pt100自身封装结构及其性能；材料介质影响，即传感器内部灌封材料的影响；机械结构影响，即传感器壳体结构参数；测量方法影响，即测试方法对热响应参数的影响。

温度传感器；热响应时间；机械结构；测量方法

1 背景阐述

温度传感器内部敏感元件采用精度较高的Pt100，其测试范围广、稳定性好、测量精度高，常用于测试－50～＋250℃的温度介质。随着轨道车辆监测系统的要求越来越高，对温度传感器的要求也越来越高。其中，热响应时间对于温度传感器是非常关键的参数，它直接影响车辆检测系统对安全信息的判断。本文主要结合产品设计和验证，对影响热响应时间参数展开分析。

2 轨道车辆铂电阻温度传感器基本结构

轨道车辆Pt100温度传感器主要是由探头体端和电气连接部分组成的，而影响热响应时间的主要是探头体端结构。探头体端一般由结构件、敏感元件和灌封材料等组成。

结构件，是指作为产品总装的探头体；敏感元件，是指将温度变化转化为电阻值变化的Pt100；灌封材料，是指用于填充探头体内部的材料，同时，它具有导热绝缘、密封的作用。

3 温度传感器的测量模型

简化的轨道交通温度传感器铂电阻模型[1]如图1所示。

假设测量介质温度为T0，铂电阻敏感元件温度为T2，敏感元件与保护层接触热阻为R2，热容为C2，保护层温度为T1，与外界的换热热阻为R1，热容为C1，则保护层内温度变化应满足式（1），即：

铂电阻敏感元件温度变化规律为：

由此可得温度传感器的测量方程为：

根据以上公式可以得出，固有频率越大，温度变化响应越快；阻尼比值大于1，说明温度传感器响应为过阻尼。要想提高响应，应尽量减少中间保护层。

4 热响应时间因素分析

轨道车辆温度传感器中的铂电阻具有一定的体积和比热容，其与被测介质之间达到热平衡需要一定的时间，这就导致温度传感器响应滞后于温度变化。

轨道车辆热响应时间定义为：当温度出现阶跃变化时，且阶跃值不大于10℃，Pt100温度传感器电阻变化至90%的时间[2]。

4.1 核心元件的影响

4.1.1 元件自热

在使用Pt100温度传感器的过程中有电流流过，电流会使敏感元件自身加热，产品自热。当Pt100温度传感器感受低温介质时，先要消除自身的热量，然后才能冷至介质温度，这个过程需要耗费一定的时间。

常规Pt100测试电流为1 mA，1 mA测试电流会使温度升高约0.05℃，产生的响应时间非常小，可以忽略不计。同时，自热温升还与封装结构有关。Pt100温度传感器回路电流一般在几毫安，实际使用时推荐1 mA。

4.1.2 元件热滞后

敏感元件不能在介质温度变化时立即响应介质温度，时间上会产生滞后，这种滞后也会影响热响应时间。

4.1.3 元件结构影响分析

Pt100铂电阻结构封装结构分为裸装和铠装2种类型。在裸装温度传感器中，敏感元件直接与被测介质接触，导热系数可假设为无限大。由于测量环境不同，为了避免或减少被测介质被腐蚀，减少机械损伤，固定敏感元件，在敏感元件外层增加一层保护套，这种结构形式被称为铠装。铠装温度传感器外部保护套材料、壁厚、直径要根据测试介质压力和腐蚀性选择，保护套带来的热容和热阻不可忽略，所以，导热系数小于裸装结构。

铂电阻根据引出导线规格分为两线制、三线制和四线制，下面分别介绍这3种规格的铂电阻温度传感器。

两线制铂电阻温度传感器输出电阻值为敏感元件电阻值和连接导线电阻之和，导线电阻会带来附加阻值，导致测量精度不高，常用于测量精度不高的场合。

三线制铂电阻温度传感器敏感元件引出的三根导线截面积和长度均相同。三线制会减少导线电阻带来的附加电阻值，但不能完全消除。

四线制引出线中的2根导线用于输入恒定电流，另外2根导线用于测试阻值输出。当用于测试元件阻抗足够高时，电流几乎不流过回路，这样可精确测量阻值。

4.1.4 测量引线

铂电阻与外接电缆连接是通过测量引线过渡。在选择测量引线时，先要满足使用温度，其次要保证电流容量和强度的要求。在满足这些条件的情况下，应尽可能选用截面积较小的引线，以减少引线热传导。

4.2 材料介质影响分析

4.2.1 元件自身填充材料影响

考虑到车辆冲击振动的影响，在铂电阻铠装过程中加入填充材料，避免敏感元件因抖动而造成引脚断裂。在满足绝缘的情况下，要选择热容小、易灌封材质、热导率高的材料。目前，国内常用的敏感元件与引线还需中间环节连接，填充材料一般选择耐高温绝缘不导电介质。如果采用Pt100铂电阻和引线一体式结构，可节省中间环节连接；填充材料可选择氧化铝和氧化镁，这2种材料颗粒细、热容小、易于灌封。

4.2.2 导热介质影响分析

轨道车辆Pt100铂电阻温度传感器导热介质常选用较高温度系数的导热胶，该胶的膨胀系数要小、硬度要小，同时，灌封工艺对热响应时间也会产生一定的影响。

灌封胶在温度传感器中要起到固定电缆的作用。为了防止因振动冲击引起的损伤，应选择硬度较大的灌封胶。

4.3 机械结构影响分析

在设计过程中，要科学、合理地设计机械结构参数，以满足产品总装和安装要求，同时，还要考虑结构参数对热响应时间的影响。

4.4 测量方法影响分析

温度传感器热响应时间测试方法对热响应时间也会产生一定的影响。本测试系统由恒温水槽、数字万用表、LabVIEW和二等标准铂电阻组成。

试验方法是：将传感器感温部分放入水流式热响应装置中，水流速应保持在（0.4±0.05）m/s，初始温度在5～35℃的范围内，温度阶跃值不大于10℃。记录传感器电阻变化至90%的热响应时间，试验结果应为同一试验至少3次测试结果的平均值，每次测试结果对于平均值的偏离应在±10%以内。

分析测试数据可知，出现误差的原因主要有2点，一方面是人为因素，在没有辅助设备配合的情况下，放入介质的起始时间无法确定；另一方面为设备带来的误差，数据采集有一定的滞后性。

5 结论

本文主要研究影响热响应时间的因素，先根据测量环境要求选择合适的铂电阻封装结构，进而确定机械结构尺寸和导热介质，最后选择合适测量方法进行测量。经过综合分析，认真研究4个影响因素，从而为开发更快热响应时间温度传感器提供理论和试验依据。

［1］刘家恕，李强，傅涛，等.测量温度传感器的时间响应特性［J］.物理实验，2009，29（8）：7-9.

［2］机械工业部上海工业自动化仪表研究所，中国仪器仪表协会自动化仪表分会温度测量仪表专业协会，上海市计量测试技术研究院，等.JB/T 8622—1997工业铂热电阻技术条件及分度表［S］.北京：机械行业出版社，1997.

O551.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.049

2095－6835（2018）02－0049－02

蒋鹏（1988—），男，山东烟台人，工程师，主要从事温度传感器方面的研究。张萍（1988—），女，浙江宁波人，工程师。

白洁〕