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1、温度测量简介李丽一、温度测量的基本概念一、温度测量的基本概念 在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！速度比低温时快！低温低温高温高温温度：温度：标志着物质内部大量标志着物质内部大量分子无规则运动分子无规则运动的的剧烈程度剧烈程度。温度越高，表示物体内部分温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。子热运动越剧烈。二、温标二、温标 1、温度的数值表示方法称为温标。温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度读数的起它规定了温度读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。标
2、确定。2、国际上规定的温标有：、国际上规定的温标有：摄氏温标摄氏温标、华氏温标华氏温标、热力学温热力学温标标等。等。几种温标的对比几种温标的对比 热力学温标（热力学温标（K）热力学温标热力学温标:建立在热力学第二建立在热力学第二定律基础上的温标定律基础上的温标 开氏温标开氏温标:由开尔文（由开尔文（Kelvin）提出来提出来 符号符号:T 单位单位:开尔文（开尔文（K）。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵开尔文勋爵像像1990国际温标(ITS-90)ITS-90：从：从1990年年1月月1日开始在全世界范日开始在全世界范围采用围采用定义了：温度的固定点定义了：温度的固定点 测量和重现固定点的标准仪
3、器测量和重现固定点的标准仪器 计算公式计算公式例如水的三相点为例如水的三相点为273.16K（0.01 C）。）。摄氏温标是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：华氏温标目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：T=t+273.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32n=5/9(m-
4、32)温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。中最普遍而重要的操作参数。三、温度检测及仪表三、温度检测及仪表（一）温度检测方法（一）温度检测方法一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。测量温度。主要分为主要分为2大类：大类：u 接触式测温接触式测温通过测温元件与被测物体的接触而感知通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。物体的温度。u 非接触式测温非接触式测温通过接受被测物体发出的热辐射来感通过接受被测物体发出的热辐射来感知温度。知温度。接触式测温仪
5、表有：接触式测温仪表有：1、膨胀式温度计、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。时体积膨胀的性质而制成的。主要有：主要有：u 液体液体膨胀式温度计：膨胀式温度计：利用利用液体（水银、酒精）受热时体液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。积膨胀的特性测温。玻璃管温度计玻璃管温度计电接点式电接点式玻璃管温度计玻璃管温度计u 气体气体热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；但不需要电源，耐用；但感温部件体积较大感温部件体积较大。气体的气体的体积体积与热与热力学温度成正比力学温度成正比双金属片双金属片:两片线胀系数不同的金属片叠焊接在一起。两片线胀系
6、数不同的金属片叠焊接在一起。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。度值。u 固体固体膨胀式温度计膨胀式温度计双金属片双金属片调节螺钉调节螺钉绝缘柱绝缘柱 双金属片常用来做温度报警或控制双金属片常用来做温度报警或控制随着温度上升，双金属片逐随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器定触点
7、时，报警灯和继电器回路被接通。回路被接通。调节螺钉用来调整固定触点调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。的位置，以调整报警温度。双金属温控器双金属温控器继电器继电器原理：封闭容器中的液体、气体或低沸原理：封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。压力增大。利用封闭容器中的利用封闭容器中的介质压力介质压力随温度变化随温度变化的现象来测温。的现象来测温。压力表指示温度压力表指示温度2、压力式温度计、压力式温度计3、热电偶温度计、热电偶温度计 利用物体的热电性质：利用物体的热电性质：热电势热电势4、热电阻温度计、热电阻温度计
8、利用金属或半导体利用金属或半导体电阻值电阻值随温度而变化的性质随温度而变化的性质5、半导体温度计、半导体温度计 利用半导体利用半导体PN结的结的结电压结电压随温度变化的特性随温度变化的特性红外线测温计红外线测温计光光学学高高温温计计1、辐射式温度计：、辐射式温度计：通过测量物体通过测量物体热辐射功率热辐射功率来测量温度。来测量温度。2、红外式温度计：、红外式温度计：通过测量物体通过测量物体红外波段红外波段热辐射功率热辐射功率来测来测量温度。量温度。非接触式测温的具体方法有非接触式测温的具体方法有红外温度计红外温度计集成温度传感器将集成温度传感器将温敏晶体管温敏晶体管和和外围电路外围电路集成在一
9、个集成在一个芯片上构成，相当于一个芯片上构成，相当于一个测温器件测温器件。特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为范围为-50150。集成温度传感器分为集成温度传感器分为电压型电压型电流型电流型数字型数字型 3、集成温度传感器、集成温度传感器热电偶、热电阻的测温信号，须经后级仪表处理热电偶、热电阻的测温信号，须经后级仪表处理将将温度显示出来或记录保存温度显示出来或记录保存。1001.动圈式指示仪表动圈式指示仪表可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的是最简单的模拟模拟指示仪表。指示仪表。（二）（
10、二）温度显示仪表温度显示仪表动圈式仪表实质上是动圈式仪表实质上是测量电流测量电流的仪表的仪表核心部件是一个磁电式毫安表核心部件是一个磁电式毫安表通电线圈在磁场中受力矩的作用而偏转，指针移动通电线圈在磁场中受力矩的作用而偏转，指针移动当测量信号通过张丝加在动圈上，电流流过动圈，动圈受当测量信号通过张丝加在动圈上，电流流过动圈，动圈受磁磁场力场力作用而偏转。作用而偏转。动圈转动使张丝扭转并产生动圈转动使张丝扭转并产生反抗动圈转动的力矩反抗动圈转动的力矩，两力矩平，两力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上，指示被测参数值。衡时，动圈就停留在某一位置上，指示被测参数值。100动圈测量机构原理动圈测量机构原
11、理RDRMR串串RTRL热电偶热电偶由于热敏电阻温度系数由于热敏电阻温度系数太大，用一个锰铜电阻太大，用一个锰铜电阻RM（50）和热敏电阻）和热敏电阻RT（6820）并联。）并联。R串串按量程大小调整。按量程大小调整。热电偶直接输出毫伏信号，可以驱动动圈仪表。热电偶直接输出毫伏信号，可以驱动动圈仪表。但要解决动圈电阻温度补偿和量程匹配问题。但要解决动圈电阻温度补偿和量程匹配问题。用热敏电阻补偿动圈电阻的温度误差用热敏电阻补偿动圈电阻的温度误差1)配热电偶的动圈仪表配热电偶的动圈仪表 外接电阻和外接调整电阻外接电阻和外接调整电阻热电偶和动圈仪表相接后，流过动圈的电流为：热电偶和动圈仪表相接后，流
12、过动圈的电流为：R外外=R热热+R补补+R连连+R调调R内内=表内电阻之和表内电阻之和测量时要求回路：测量时要求回路：R总总=15通过调整通过调整R调实现。调实现。一般用电桥将一般用电桥将热电阻热电阻信号转换成信号转换成电压电压信号信号2)配热电阻的动圈仪表配热电阻的动圈仪表则则 R1R3=R2（R0+RT0）且且 R1=R2，R3=RT0+R0有：有：I1=I2=I 当当T 时，电桥输出时，电桥输出Uab=R3 I（RT+R0）I =R3 I（RT0+RT+R0）I =RT I 电桥工作原理电桥工作原理RwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1r r r 设设T0时，电桥平衡。时，电桥
13、平衡。可见三线制接法可可见三线制接法可以以消除接线电阻的消除接线电阻的影响影响。一般规定每。一般规定每根连接导线的电阻根连接导线的电阻值为值为5。三线制与外接调整电阻三线制与外接调整电阻 在考虑接线电阻后，电桥输出：在考虑接线电阻后，电桥输出：Uab=（R3+r)I（RT0+RT+R0+r）I=RT IRwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1r r r 数字式指示仪表是以数字数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：量仪表。其原理框图如下：检检测测变变送送寄寄存存器器模模/数转换数转换脉冲计数脉冲计数脉冲信号脉冲信号数数字字译译码码器器显
14、显示示器器2.数字式指示仪表数字式指示仪表例：配热电偶的数字式测例：配热电偶的数字式测温仪表原理框图温仪表原理框图标准热标准热电势电势滤波滤波放大放大线性化线性化标度变换标度变换检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。号标准。变送器的任务变送器的任务就是将就是将不标准的检测信号不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号标准信号输出，输出，并使能够并使能够远传远传。数字控制系统数字控制系统的信号标准有：的信号标准有：FF协议、协议、HART协议等协议等模拟控制系统模拟控制系统的信号标准是：的信
15、号标准是：型：型：010mA、010VIII型：型：420mA、15V（三）温度变送器（三）温度变送器1.模拟式温度变送器模拟式温度变送器模拟式温度变送器有多个品模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传种、规格，以配合不同的传感元件和量程，但结构相同感元件和量程，但结构相同-+电量电量传感元件传感元件被测温度被测温度输入电路输入电路放大电路放大电路反馈电路反馈电路输出电流输出电流温度变送器原理框图温度变送器原理框图E1以以DDZ-III型热电偶温度变送器为例型热电偶温度变送器为例:Et反馈反馈反馈反馈放大电路放大电路电源电源输入电路输入电路输出电路输出电路DDZ型电动单元组合仪表中的变
16、送单元之一型电动单元组合仪表中的变送单元之一它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。造纸等行业的测温控制系统中。轨装式温度变送器轨装式温度变送器传感元件与测量电路一体化高度集成，自带冷端传感元件与测量电路一体化高度集成，自带冷端补偿功能，补偿功能，24VDC供电。供电。智能变送器是采用微处理器技术的现场型仪
17、表。可智能变送器是采用微处理器技术的现场型仪表。可输出输出模拟模拟、数字、数字混合混合信号或信号或全数字全数字信号，而且可以信号，而且可以通过通过现场总线现场总线与上位计算机连接，构成集散控制系与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。统和现场总线控制系统。2.智能温度变送器智能温度变送器西仪西仪444系列温度变送器系列温度变送器上海横河上海横河YT200温度变送器温度变送器3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。3.1.2 测温热电阻传感器测温热电阻传感器3.
18、1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。分为：金属热电阻，半导体热敏电阻分为：金属热电阻，半导体热敏电阻一、金属热电阻（热电阻）一、金属热电阻（热电阻）1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，大，线性好，性能稳定，便于生产（铜、铂、镍）。2、特点：测温精度较高，范围广（-2006000C），稳定性、重复性好。但热惯性大，灵敏度低。3、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的，电阻丝是热电阻的最主要部分。3.1
19、3.1 电阻式传感器电阻式传感器1）铂电阻）铂电阻 阻值与温度的函数关系为:其中：A,B,C为常数4、分别描述铂电阻，铜电阻，其它金属热电阻的特点。、分别描述铂电阻，铜电阻，其它金属热电阻的特点。特点：特点：精度高、稳定性好、性能可靠，测温范围广。分度号：分度号：Pt50Pt50R0 R0=50=50Pt100Pt100R0 R0=100=100 百度电阻比1.385结构：结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平板性支架上，铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。热电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为避免通过热电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为避免通过交流电
20、时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时采用双线无感交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制，通过两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消绕制，通过两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消微型铂电阻微型铂电阻:特点是体积小，热惯性小，气密性好2）铜电阻铜电阻适用范围适用范围：-501500C,精度要求不高的场合优点优点：铜的电阻与温度呈线性关系；电阻温度系数高；易提纯，价格便宜缺点缺点：机械强度不高、易氧化等,温度范围小。百度电阻比1.4283.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器铜电阻阻值与温度的函数关系为:.25.2810-3/
21、0C分度号:Cu50Cu50R0 R0=50=50WZC型Cu100Cu100R0 R0=100=1003）其它金属热电阻：）其它金属热电阻：铟电阻，锰电阻，碳电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器表表2-2 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器5.使用时的注意事项使用时的注意事项工业上广泛应用金属感温电阻器作为-200+600范围的温度测量。它的特点是精度高,适于测低温。但使用中需要注意以下两点。1）自热误差自热误
22、差在用感温电阻器测量时,电阻总要消耗一定的电功率,它同样会造成电阻值的变化,但这种变化是不希望的。使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自热而引起的误差。一般是限制电流,规定其值应不超过6mA。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器2）引线电阻的影响引线电阻的影响用于测量的感温电阻器,总得有连接导线,但由于金属电阻器本身的电阻值很小,所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。比如对于50的测温电阻,1的导线电阻将产生约5的误差,这是不能允许的。为此,测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器 图图2.12 二线式接法二线式接法 图2.12的二线式接法中,两根引
23、线完全加到一个桥臂上,引线电阻值及其变化将引起电桥输出变化,造成测温误差。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器图图2.13 三线式接法三线式接法 图2.13中,Rt为热电阻,r1、r2、r3为引线电阻。在三线式连接法中,一根引线接到电源对角线上,另两根分别接到电桥相邻的两个臂。这样，引线电阻值及其变化对仪表读数的影响可以互相抵消。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器四线制测温四线制测温运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器小型铂热电阻小型铂热电阻
24、3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表铜热电阻铜热电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器附录附录 铂热电阻分度表铂热电阻分度表 3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器铂电阻温度显示、变送器3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码式设定开关3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器二、半导体热敏电阻器二、半导体热敏电阻器1.分类及特性半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型,即负电阻温度系数
25、热敏电阻(NTC)、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻(CTR)。它们的特性曲线如图2.14所示。图2.14三种类型热敏电阻的典型特性3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器由图2.14可见,使用CTR组成热控制开关热控制开关是十分理想的。但在温度测量中,则主要采用NTC,其温度特性如下式所示：式中：Rt、R0：分别为TK和T0K时的热敏电阻值；B：热敏电阻的材料常数材料常数,其值主要取决于热敏电阻的材料。一般情况下,B=20006000K,在高温下使用时,B值将增大；T：被测温度（K）。（2.14）图2.14三种类型热敏电阻的典型特性3.1 3.
26、1 电阻式传感器电阻式传感器若定义为热敏电阻的温度系数,则由式（2.14）有(2.15)可 见,随 温 度 降 低 而 迅 速 增 大。如 B值 为 4000K,当T=293.15K(20)时,用上式可求得=4.7%/,约为铂电阻的12倍,因此,这种测温电阻灵敏度高。R0的常用范围是几百欧到一百千欧,所以,该测温电阻的引线电阻影响小引线电阻影响小,可忽略。半导体热敏电阻的又一特点是体体积积小小。这使它非常适合于测量微弱的温度变化、温差以及温度场的分布。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器2.使用时的注意事项使用时的注意事项在使用热敏电阻时,也要注意到自热效应自热效应问题,但是,必须特别注意
27、的有如下两点。1）热敏电阻温度特性的非线性非线性热敏电阻随温度变化呈指数规律指数规律,其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时,就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下。（1）线性化网络。利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻,其一般形式如图2.15所示。图图2.15 热敏电阻的线性化网络热敏电阻的线性化网络3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器根据Rt的实际特性和要求的网络特性RT(t),通过计算或图解方法确定网络中的电阻RB、RS、RP。目前这种方法用得较多。为了提高设计的准确度,可利用计算机进行。例：要求热敏电阻的阻值当温度分别为：T1时为R1,Rt1T
28、2时为R2,现有热敏电阻Rt2不满足要求。T3时为R3,Rt3图图2.15 热敏电阻的线性化网络热敏电阻的线性化网络3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器串并电阻调整后，RT在T1，T2，T3，三个点上满足对特性的要求。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器（2）利用电子装置中其它部件的特性进行综合修正装置中其它部件的特性进行综合修正。图2.16是一个温度-频率转换电路。它实际是一个三角波三角波-方波方波变换器变换器,电容C的充电特性是非线性特性。适当地选取线路中的电阻r 和R,加上Rt,可以在一定的温度范围内,得到近似于近似于线性线性的温度-频率转换特性。该电路图图2.16 温度温度-频
29、率转换电路频率转换电路 3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器（3）计算修正法。在带有微处理机微处理机（或微型计算机）的测量系统中,当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时,可采用线性插值法将特性分段,并把各分段点的值存放在计算机的存储器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后,给出要求的输出值。2）热敏电阻器特性的稳定性和老化问题稳定性和老化问题早期热敏电阻器的应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年来,随着半导体工艺水平的提高,产品性能已得到很大的改善。现在已研制出精度优于热电偶,并具有互换性的热敏电阻,而且还能制造出300以下可忽略老化影响
30、的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大,使用时仍应认真选择。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器一般地说,正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器。在辐射热检测器中,人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜,构成热量型检测器,将辐射热转换成电阻的变化。3.应用举例应用举例电动机过热保护装置组成电路原理3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器把三只特性相同的NTC热敏电阻(如RRC6型,20时为10k；100时为1k;110时为0.6k)放置在电动机内绕组旁,每相各放置一只,用万能胶固定。当电动机正常运转当电动机正常运转时,温度较低,热敏电阻阻值较高,三极管
31、V1截止,继电器K不动作。当当电动机过负荷电动机过负荷、或断相、或一相通地时,电动机温度急剧上升,热敏电阻阻值急剧减小,小到一定值,使三极管V完全导通,继电器K动作,使S闭合,红灯亮,起到报警保护作用。表2.3列出几种常用NTC型号。3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器表表2.3常用热敏电阻常用热敏电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器片式片式负温度系数热敏电阻BN系列珠状珠状NTC热敏电阻器GN系列玻壳型玻壳型NTC热敏电阻器PN系列功率型功率型NTC热敏电阻器SN系列温度传感器3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热
32、敏电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器 贴片式贴片式NTC热敏电阻热敏电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（深圳科蓬达电子有限公司资料）3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器非标热敏电阻3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器非标热敏电阻（续）3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器热敏电
33、阻温度面板表热敏电阻温度面板表 热敏电阻LCD3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器热敏电阻体温表热敏电阻体温表 3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温度测量 3.1 3.1 电阻式传感器电阻式传感器热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻用于电热水器的温度控制 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶
34、的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选择、安装使用和校验两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热热电电效效应应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB 一、热电偶的工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热端冷端1.接触电势接触电势原理图+
35、ABTeAB(T)-eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。2.温差电势温差电势原理图由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必
36、存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B导体A和B的汤姆逊系数。根据电磁场理论得结论(4点)：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)由于NA、NB是温度的单值函数在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成分度表分度表，以供备查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)
37、=EAB(T，0)-EAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和和零度以及零度以及T0和零度的热电势之差。和零度的热电势之差。导导体体材材料料确确定定后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。如如果果使使E EABAB(T T0 0)=)=常常数数，则则回回路路热热电电势势E EABAB(T T，T T0 0)就就只只与与温温度度T T有有关关，而而且且是是T T的的单单值值函数，这就是利用热电偶测温的原理。函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材热
38、电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为E=EAB（T1）+EBC（T2）+ENA（Tn）由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即
39、热电偶必须采用两种不同材料作为电极。二、热电偶回路的性质1.均质导体定律E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaAT02
40、3ABEABT1T2 CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图思考中间导体定律非常重要，否则无法使用热电偶！为了测量热电势，必须断开热电偶闭合回路，接入电表及其它电路。有影响吗？ET0T0TET0T1T1TET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT
41、0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：3.中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBA T2 T1 T3 AABEAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB
42、（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为练习某个铂铑铂热电偶（S型）输出为10.000mv，而其冷端（参考端）温度为25C，则其工作端的被测温度是多少？（分度表见教材P114）热电
43、偶材料应满足：l物理性能稳定，热电特性不随时间改变；l化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；l热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l便于制造；l复现性好，便于成批生产。三、热电偶的常用材料与结构 1铂铂铑热电偶(S型)分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：n材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。n测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。n在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要
44、用保护套管。n材料属贵金属，成本较高。n热电势较弱。（一）热电偶常用材料（一）热电偶常用材料 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU2工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：u价格比较便宜，在工业上广泛应用。u高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。u复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。3镍铬考铜热电偶(E型)分度号为EA2工业用热电偶丝:1.
45、22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：l价格比较便宜，工业上广泛应用。l在常用热电偶中它产生的热电势最大。l气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。4铂铑30铂铑6热电偶(B型)分度号为LL2正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：l材料性能稳定，测量精度高。l还原性气体中易被侵蚀。l低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。l成本高。几种持殊用途的热电偶（1 1）铱铱和
46、和铱铱合合金金热热电电偶偶如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。（2 2）钨钨铼铼热热电电偶偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。（3 3）金金铁铁镍镍铬铬热热电电偶偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4 4）钯钯铂铂铱铱1515热热电电偶偶是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。（
47、6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MKMK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。（5 5）铁）铁康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号TKTK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。（二）常用热电偶的结构类型1工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图1接线盒；
48、2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234(a)(b)(c)(d)132 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。图3.2-12铠装式热电偶断面结构示意图1金属套管;2绝缘材料;3热电极(a)碰底型;(b)不碰底型;(c)露头型;(d)帽型3快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm)
49、4123快速反应薄膜热电偶1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。4快速消耗微型热电偶下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。14235678 91110快速消耗微型1
50、刚帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线方法u冰点槽法u计算修正法u补正系数法u零点迁移法u冷端补偿器法u软件处理法四、冷端处理及补偿原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。1.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线