2023/1/12第四章溫度檢測(cè)技術(shù)傳感與檢測(cè)技術(shù)溫度表征物體或系統(tǒng)冷熱程度的物理量，是國(guó)際單位制給出的七個(gè)基本物理量之一。

從熱能量的角度看：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量；

從熱平衡的觀點(diǎn)看：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量；

從分子物理學(xué)的角度看：溫度反應(yīng)了系統(tǒng)內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度；溫度高的物體，其內(nèi)部分子平均動(dòng)能大；溫度低的物體，其內(nèi)部分子的平均動(dòng)能小。

通常把長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等基準(zhǔn)物理量稱作“外延量”，它們可以疊加，例如把長(zhǎng)度相同的兩個(gè)物體連接起來(lái)，其總長(zhǎng)度為原來(lái)的單個(gè)物體長(zhǎng)度的兩倍。

溫度是一種“內(nèi)涵量”，疊加原理不再適用，例如把兩瓶90℃的水倒在一起，其溫度絕不可能增加，更不可能成為180℃。

熱力學(xué)的第零定律指出：具有相同溫度的兩個(gè)物體，它們必然處于熱平衡狀態(tài)；當(dāng)兩個(gè)物體分別與第三個(gè)物體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，這兩個(gè)物體也處于熱平衡狀態(tài)，即這三個(gè)物體處于同一溫度。因此，如果我們能用可復(fù)現(xiàn)的手段建立一系列基準(zhǔn)溫度值，就可將其他待測(cè)物體的溫度和這些基準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較，從而得到待測(cè)物體的溫度?！?.1溫標(biāo)及測(cè)溫方法一、溫標(biāo)為了保證溫度量值的統(tǒng)一，需要建立一個(gè)衡量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。溫度的高低必須用數(shù)字來(lái)說(shuō)明，溫標(biāo)就是溫度的一種數(shù)值表示方法，并給出了一套溫度數(shù)值化的規(guī)則方法，同時(shí)明確了溫度的測(cè)量單位。通常，人們是借助于隨溫度變化而變化的物理量（如：體積、壓力、電阻、熱電勢(shì)等）來(lái)定義溫度數(shù)值，建立溫標(biāo)和制造各種溫度檢測(cè)儀表。

1.經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)根據(jù)某些物質(zhì)的體積膨脹與溫度的關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。（1）華氏溫標(biāo)

1714年德國(guó)人法勒海特（Fahrenheit）以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)，選取氯化銨和冰水的混合物的溫度為溫度計(jì)的零攝氏度，人體溫度為溫度計(jì)的100度，把水銀溫度計(jì)從0度到100度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作“1°F”。按照華氏溫標(biāo)，水的冰點(diǎn)為32°F，沸點(diǎn)為212°F。

（2）攝氏溫標(biāo)

1740年瑞典人攝氏（Celsius）提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。根據(jù)水這兩個(gè)固定溫度點(diǎn)來(lái)對(duì)玻璃水銀溫度計(jì)進(jìn)行分度，平均分成100等份，每一份稱為1攝氏度，記作1℃。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為：式中，T為華氏溫度值；t為攝氏溫度值。（3）列氏溫標(biāo)

列氏溫標(biāo)規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰融點(diǎn)為0度，水沸點(diǎn)為80度，中間等分80分，每一等分為1列氏度，記為：0R

攝氏、華氏和列氏三者關(guān)系：

C：攝氏、F：華氏、R：列氏（4）蘭氏溫標(biāo)（略）除華氏溫標(biāo)、列氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)外，還有一些類似經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，如蘭氏溫標(biāo)等，這里不再一一列舉。

2.熱力學(xué)溫標(biāo)

1848年，威廉.湯姆首先提出，以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，建立溫度僅與熱量有關(guān)而與物質(zhì)無(wú)關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)，因?yàn)槭情_爾文（Kelvin）總結(jié)出來(lái)的，又稱開爾文溫標(biāo)，是一種理想而不能真正實(shí)現(xiàn)的理論溫標(biāo)，它是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理單位之一。開氏溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度——絕對(duì)零度（在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法達(dá)到的理論溫度，低于0K的溫度不可能存在）與水的三相點(diǎn)溫度分成273.16份，每份為1K（Kelvin）。熱力學(xué)溫度的單位為“K”。水的三相點(diǎn)是指：化學(xué)純水在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三項(xiàng)平衡時(shí)的溫度。

3.絕對(duì)氣體溫標(biāo)

從理想氣體狀態(tài)方程入手，復(fù)現(xiàn)的熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對(duì)氣體溫標(biāo)。由波義耳定律，有：

PV=nRT（4-2）式中，P為一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)Pa；V為該氣體的體積m3

；n為氣體的物質(zhì)的量mol，R為普適常數(shù)J/(mol·K）；T為熱力學(xué)溫度。

當(dāng)氣體的體積為恒定（定容）時(shí)，其壓強(qiáng)就是溫度的單值函數(shù)，即有

T2/T1=P2/P1

這種比值關(guān)系與開爾文給出的熱力學(xué)溫標(biāo)的比值關(guān)系完全類似。因此若選用同一固定點(diǎn)（水的三相點(diǎn)）來(lái)作參考點(diǎn)，兩種溫標(biāo)在數(shù)值上就完全相同。

4.國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)(國(guó)際溫標(biāo))

為了解決國(guó)際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，國(guó)際上協(xié)商規(guī)定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即保證一定準(zhǔn)確度），又使用方便、容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)，這就是國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱國(guó)際溫標(biāo)。第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)是1927年第七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上決定采用的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。此后在1948、1960、1968年多次修訂，形成了近20多年來(lái)各國(guó)普遍采用的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)（IPTS—68）。

1989年7月第77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)建立了新的國(guó)際溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱ITS—90。為和IPTS—68溫標(biāo)相區(qū)別，用T90表示ITS—90溫標(biāo)。

我國(guó)從從1994年元旦開始全面推行ITS—90新溫標(biāo)。

二、溫度檢測(cè)的主要方法及分類特點(diǎn)根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，測(cè)溫?？煞譃榻佑|式和非接觸式兩大類。

1、接觸式溫度測(cè)量：

特點(diǎn)是感溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，此時(shí)感溫元件的溫度與被測(cè)對(duì)象的溫度必然相等，溫度計(jì)的示值就是被測(cè)對(duì)象的溫度。

優(yōu)點(diǎn)：接觸式測(cè)溫的測(cè)溫精度相對(duì)較高，直觀可靠，測(cè)溫儀表價(jià)格較低。缺點(diǎn)：由于感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，會(huì)影響被測(cè)介質(zhì)的熱平衡狀態(tài)，而接觸不良又會(huì)增加測(cè)溫誤差；若被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性或溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件的性能和壽命。

分類：根據(jù)測(cè)溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測(cè)溫可分為膨脹式、熱阻式、熱電式等多種形式。

2、非接觸式溫度測(cè)量：

特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過(guò)接受被測(cè)物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換，據(jù)此測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度。優(yōu)點(diǎn)：非接觸式測(cè)溫具有不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)得很高，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等。兩類測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)如表4-2所示系統(tǒng)的溫度升高1K所需的熱稱為該系統(tǒng)的熱容（符號(hào)C，單位J/K）。

§4.2熱膨脹式測(cè)溫方法熱膨脹式測(cè)溫是利用液體、氣體或固體熱脹冷縮的性質(zhì)，即測(cè)溫敏感元件在受熱后尺寸或體積發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化的量來(lái)得到溫度變化的值，通常以液體和固體檢測(cè)為主。一、玻璃溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì)簡(jiǎn)稱玻璃溫度計(jì)，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計(jì)最常用的液體，其凝點(diǎn)為-38.9℃，測(cè)溫上限為538℃。對(duì)于較低溫度測(cè)量的情況，可以用其他凝點(diǎn)低的有機(jī)液體（如酒精下限為-62℃，甲苯下限為-90℃，而戊烷則可達(dá)-201℃）。

玻璃溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，價(jià)格低廉，測(cè)溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場(chǎng)直接讀數(shù)，一般無(wú)需能源，易破損，測(cè)溫值難自動(dòng)遠(yuǎn)傳記錄等特點(diǎn)。

玻璃溫度計(jì)按使用方式又可分為：

1）全浸式即是把玻璃溫度計(jì)液柱全部浸沒在被測(cè)介質(zhì)中。此種方式的特點(diǎn)是測(cè)溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。

2）局浸式為把溫度計(jì)部分液柱（固定長(zhǎng)度）浸入被測(cè)介質(zhì)中，部分暴露在空氣中。此種方式的特點(diǎn)是讀數(shù)容易，但測(cè)量誤差較大，即使采取修正措施，其誤差通常比全浸式大很多。二、壓力溫度計(jì)

1、結(jié)構(gòu)：壓力溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸氣在體積不變的條件下，其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能的。典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-1所示。

2、原理：壓力式測(cè)溫不是靠物質(zhì)受熱膨脹后的體積或尺寸變化來(lái)反應(yīng)溫度的，而是靠在密閉容器中液體或氣體受熱后壓力的升高來(lái)反應(yīng)被測(cè)溫度。因此這種測(cè)溫實(shí)際上是普通壓力表。溫包、傳遞壓力元件（毛細(xì)管）及壓力敏感元件（彈簧管）三者的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)封閉容器，其中充滿工作物質(zhì)，測(cè)溫時(shí)將溫包置入被測(cè)介質(zhì)中，溫包內(nèi)的感溫介質(zhì)（為氣體或液體或蒸發(fā)液體）因被測(cè)溫度的高低而導(dǎo)致體積膨脹或收縮造成壓力的增減，壓力的變化經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管，使彈簧管產(chǎn)生變形，進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指示出相應(yīng)的溫度。這類壓力溫度計(jì)的毛細(xì)管細(xì)而長(zhǎng)（規(guī)格為1～60m）,它的作用主要是傳遞壓力，長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，溫度計(jì)響應(yīng)愈慢；在長(zhǎng)度相等條件下，管愈細(xì)，則準(zhǔn)確度愈高。

溫包直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，把溫度變化充分傳遞給工作物質(zhì)，所以，溫包應(yīng)防腐、熱導(dǎo)率好、體膨脹系數(shù)要小，還要有一定的機(jī)械耐壓強(qiáng)度，通常用不銹鋼和黃銅，而黃銅只用于非腐蝕性介質(zhì)中。特點(diǎn)：壓力溫度計(jì)和玻璃溫度計(jì)相比，具有強(qiáng)度大，不易破損，讀數(shù)方便，準(zhǔn)確度較低，耐腐蝕性較差等特點(diǎn)。壓力溫度計(jì)測(cè)溫范圍下限能達(dá)-100℃以下，上限最高可達(dá)600℃，常用于汽車、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)的油、水系統(tǒng)的溫度測(cè)量。M4、彈簧片1、測(cè)溫泡2、細(xì)管3、彈性金屬盒5、動(dòng)觸點(diǎn)6、靜觸點(diǎn)7、拉桿8、凸輪9、連桿氯甲烷及它的蒸氣1210*冰箱溫度控制器

§4.3雙金屬溫度計(jì)固體長(zhǎng)度隨溫度變化的情況可用下式表示，即L1=L0［1+k（t1-t0）］（4-4）式中，L1為固體在溫度t1

時(shí)的長(zhǎng)度；L0為固體在溫度t0時(shí)的長(zhǎng)度；k為固體在溫度t0、t1之間的平均線膨脹系數(shù)。

基于固體受熱膨脹原理，測(cè)量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)相對(duì)差異很大的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬片感溫元件（俗稱雙金屬溫度計(jì)）。當(dāng)溫度變化時(shí)，因雙金屬片的兩種不同材料的線膨脹系數(shù)相對(duì)差異很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，導(dǎo)致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形，如圖4-2所示。圖4-2雙金屬溫度計(jì)原理圖

在一端固定的情況下，如果溫度升高，金屬B（例如黃銅α=22.8×10-6℃-1

）因熱膨脹而伸長(zhǎng)，金屬A（例如鎳鐵合金α=1×10-6℃-1

，鎳為36%）卻幾乎不變，致使雙金屬片向上翹，溫度越高則產(chǎn)生的線膨脹差別越大，引起的彎曲角度也越大。具體可用下式表示:x=G（L/d）·Δt（4-5）

式中，x為雙金屬片自由端的位移，mm；L為雙金屬片的長(zhǎng)度，mm；d為雙金屬片的厚度，mm；Δt為雙金屬片的溫度變化，℃；G為彎曲率.

（將長(zhǎng)度為100mm，厚度為1mm的線狀雙金屬片的一端固定，當(dāng)溫度變化1℃（1K）時(shí)，另一端的位移稱為彎曲率G。)

目前實(shí)際采用的雙金屬材料及測(cè)溫范圍為：

100℃以下，通常采用黃銅與34%鎳鋼；

150℃以下，通常采用黃銅與因瓦合金；

250℃以上，通常采用蒙乃爾高強(qiáng)度耐蝕鎳合金與34%～42%鎳鋼。雙金屬溫度計(jì)不僅可用于測(cè)量溫度，而且還可方便地用作簡(jiǎn)單溫度控制裝置（尤其是開關(guān)的“通—斷”控制）。

雙金屬溫度計(jì)的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測(cè)溫范圍大致為-80～600℃，精度等級(jí)通常為1.5級(jí)左右。由于其測(cè)溫范圍和前兩種溫度計(jì)大致相同，且可作恒溫控制，可徹底解決水銀玻璃溫度計(jì)和水銀壓力溫度計(jì)易破損造成泄汞危害的問(wèn)題，所以在測(cè)溫和控溫精度不高的場(chǎng)合，雙金屬溫度計(jì)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。雙金屬片常制成螺旋管狀來(lái)提高靈敏度?？傊?，雙金屬溫度計(jì)抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不太高，只能用做一般的民用與工業(yè)用測(cè)溫儀表。應(yīng)用：恒溫箱、電飯鍋、加熱爐等。(例子)電燙斗的構(gòu)造感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，但溫度升高到103℃時(shí)便失去了鐵磁性，這個(gè)溫度稱為這種材料的“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。電飯鍋

§4.4熱阻式測(cè)溫方法

熱阻式測(cè)溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。

用于制造熱電阻的材料，電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量(系統(tǒng)在某一過(guò)程中，溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量)、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。另外，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，易提純，同時(shí)價(jià)格盡可能便宜。

熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高，易于連續(xù)測(cè)量，可以遠(yuǎn)傳（與熱電偶相比），無(wú)需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高，互換性好，精度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。

熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)，有自熱現(xiàn)象（會(huì)影響測(cè)量精度），測(cè)量溫度不能太高。

常用熱電阻主要有金屬（鉑、銅）熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。一、鉑熱電阻測(cè)溫1.概述

鉑是貴金屬，電阻率較大，電阻-溫度關(guān)系呈非線性，不但測(cè)溫范圍廣，精度高，而且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。國(guó)際ITS—90規(guī)定，在-259.35～961.78℃溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作為基準(zhǔn)溫度儀器。鉑的純度用百度電阻比

W100表示。它是鉑電阻在100℃時(shí)電阻值R100與0℃時(shí)電阻值R0之比，即W100=R100/R0。W100越大，其純度越高。目前技術(shù)已達(dá)到W100=1.393，其相應(yīng)的鉑純度為99.9995%。國(guó)際ITS—90規(guī)定，作為標(biāo)準(zhǔn)儀器的鉑電阻W100應(yīng)大于1.3925。一般工業(yè)用鉑電阻的W100應(yīng)大于1.385。

目前工業(yè)用鉑電阻分度號(hào)為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用；而Pt10是用較粗的鉑絲制作的，主要用于600℃以上的測(cè)溫。鉑電阻測(cè)溫范圍通常最大為-200～850℃。在550℃以上高溫（真空和還原氣氛將導(dǎo)致電阻值迅速漂移）只適合在氧化氣氛中使用。鉑電阻與溫度的關(guān)系為：式中，R0為溫度為零時(shí)鉑熱電阻的電阻值（Pt100為100Ω，Pt10為10Ω）；R(t)為溫度為t時(shí)鉑熱電阻的電阻值；A、B、C為系數(shù)，A=3.90802×10-3℃-1；B=-5.8019×10-7℃-2；C=-4.27350×10-12℃-4。

2.熱電阻的結(jié)構(gòu)

工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)

1—電阻絲；2—保護(hù)管；3—安裝固定件；4—接線盒熱電阻主要由感溫元件、內(nèi)引線、保護(hù)管三部分組成。通常還具有與外部測(cè)量及控制裝置、機(jī)械裝置連接的部件。它的外形與熱電偶相似，使用時(shí)要注意避免用錯(cuò)。

熱電阻感溫元件是用來(lái)感受溫度變化的電阻器，它是熱電阻的核心部分，由電阻絲及絕緣骨架構(gòu)成。我國(guó)純鉑絲品種及應(yīng)用范圍如表4-4所示。表4-4純鉑絲品種及應(yīng)用3.熱電阻的引線形式內(nèi)引線是熱電阻出廠時(shí)自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測(cè)量及控制裝置相連接。內(nèi)引線通常位于保護(hù)管內(nèi)。因保護(hù)管內(nèi)溫度梯度大，作為內(nèi)引線要選用純度高且不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的材料。對(duì)于工業(yè)鉑熱電阻而言，中低溫用銀絲作引線，高溫用鎳絲。這樣，既可降低成本，又能提高感溫元件的引線強(qiáng)度。對(duì)于銅和鎳熱電阻的內(nèi)引線，一般都用銅、鎳絲。為了減少引線電阻的影響，內(nèi)引線直徑通常比熱電阻絲的直徑大很多。

熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種，如圖4-4所示。

①兩線制

如圖4-4（a）所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線的引線形式為兩線制熱電阻。這種兩線制熱電阻配線簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低，但要帶進(jìn)引線電阻的

附加誤差。因此，不適用于高精度測(cè)溫場(chǎng)合使用。并且在使用時(shí)引線及導(dǎo)線都不宜過(guò)長(zhǎng)。采用兩線制的測(cè)溫電橋如圖4-5所示，（a）為接線示意圖，（b）為等效原理圖。從圖中可以看出熱電阻兩引線電阻RW和熱電阻Rt一起構(gòu)成電橋測(cè)量臂，這樣引線電阻RW因沿線環(huán)境溫度改變引起的阻值變化量2ΔRW和因被測(cè)溫度變化引起熱電阻Rt的增量值ΔRt一起成為有效信號(hào)被轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)，從而影響溫度測(cè)量精度。②三線制

如圖4-4（b）所示，在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線形式稱為三線制熱電阻。用它構(gòu)成如圖4-6所示測(cè)量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測(cè)量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用最廣。而且，在測(cè)溫范圍窄或?qū)Ь€長(zhǎng)，導(dǎo)線途中溫度易發(fā)生變化的場(chǎng)合必須考慮采用三線制熱電阻。③四線制

如圖4-4（c）所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線，此種引線形式稱為四線制熱電阻。在高精度測(cè)量時(shí)，要采用如圖4-7所示四線制測(cè)溫電橋。

此種引線方式不僅可以消除內(nèi)引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時(shí)，可消除該電阻的影響，還可以通過(guò)CPU定時(shí)控制繼電器的一對(duì)觸點(diǎn)C和D的通斷，改變測(cè)量熱電阻中的電流方向，消除測(cè)量過(guò)程中的寄生電勢(shì)影響。另外，為保護(hù)感溫元件、內(nèi)引線免受環(huán)境的有害影響，熱電阻外面往往裝有可拆卸式或不可拆卸式的保護(hù)管。保護(hù)管的材質(zhì)有金屬、非金屬等多種材料，可

根據(jù)具體使用特點(diǎn)選用合適的保護(hù)管。二、銅電阻測(cè)溫銅電阻的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價(jià)格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250℃以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號(hào)分別為Cu50和Cu100）一般工作溫度范圍為-40～120℃。其電阻值與溫度的關(guān)系為：

式中，R0為溫度為零時(shí)銅熱電阻的電阻值（Cu100為100Ω，Cu50為50Ω）；R（t）為溫度為t時(shí)銅熱電阻的電阻值；A，B，C為系數(shù)。A=4.28899×10-3℃-1；B=-2.133×10-7℃-2；C=1.233×10-9℃-3。

根據(jù)公式（4-6）制成的工業(yè)用銅熱電阻分度表見教材附表1-3和附表1-4。

三、半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)溫目前世界各國(guó)，特別是工業(yè)化國(guó)家，在低溫段-50～350℃且測(cè)溫要求不高的場(chǎng)合，采用半導(dǎo)體熱敏元件作溫度傳感器。大量用于各種溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償及要求不高的溫度控制。

1、熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)

熱敏電阻和熱電阻、熱電偶及其他接觸式感溫元件相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；由于靈敏度高，可大大降低后面調(diào)理電路的要求；

②標(biāo)稱電阻有幾歐到十幾兆歐之間的不同型號(hào)和規(guī)格，因而不僅能很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)幾乎無(wú)需考慮連線電阻的影響；③體積?。ㄗ钚≈闋顭崦綦娮柚睆絻H0.1～0.2mm），可用來(lái)測(cè)量“點(diǎn)溫”；

④熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測(cè)量場(chǎng)合；

⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng)，采用玻璃、陶瓷等材料密封包裝后，可應(yīng)用于有腐蝕性氣氛的惡劣環(huán)境；⑥資源豐富，制作簡(jiǎn)單，可方便地制成各種形狀（如圖4-8所示），易于大批量生產(chǎn)，成本和價(jià)格十分低廉。

2、熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：①阻值與溫度的關(guān)系為非線性；

②元件的一致性差，互換性差；

③元件易老化，穩(wěn)定性較差；

④除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍的溫度測(cè)量，使用時(shí)必須注意。3、熱敏電阻的特性（1）溫度特性：熱敏電阻按其性能分為：a)負(fù)溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻；b)正溫度系數(shù)PTC型熱敏電阻；c)臨界溫度系數(shù)CTR型熱敏電阻；對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的NTC，在較小的溫度范圍內(nèi)，R-T關(guān)系為：RT、R0：溫度為T、T0時(shí)的電阻，T：熱力學(xué)溫度，B：熱敏電阻材料常數(shù)（2000-6000K）。（2）伏-安特性：由圖可見，熱敏電阻在小電流范圍內(nèi)端電壓和電流成正比。4、熱敏電阻的主要參數(shù)：（1）標(biāo)稱電阻值RH

：指環(huán)境溫度在25±0.2℃測(cè)得值，（冷電阻）Ω。

（2）耗散系數(shù)H：指熱電阻的溫度變化與周圍介質(zhì)的溫差1℃時(shí)，所耗散的功率。（3）電阻溫度系數(shù)α：指RT的溫度變化1℃時(shí)，電阻值的變化率。﹪/℃（4）熱容C：指RT的溫度變化1﹪時(shí)，所吸收或釋放的能量。J/℃

（5）能量靈敏度G：指RT的值變化1﹪時(shí)，所需耗散的功率，(W)電阻種類的標(biāo)記符號(hào)

電阻材料RD

碳膜RN

金屬膜RS

金屬氧化膜RC

碳錫混合體RK

金屬系混合體RW

電阻線（功率型）RB

（精密型）四、熱敏電阻RT的應(yīng)用1、測(cè)量溫度2、溫度補(bǔ)償3、過(guò)熱保護(hù)4、溫控開關(guān)§4.5熱電式測(cè)溫方法一、熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫的特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好；輸出直接為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制。

1.測(cè)溫原理熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體

A和

B連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)。由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是

1821年塞貝克（Seeback）首先提出的，故又稱塞貝克效應(yīng)（如圖

4-9所示）。

人們把圖

4-9中兩種不同材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體A

和

B稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個(gè)端點(diǎn)固定焊接，用于對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行溫度測(cè)量，

T點(diǎn):稱為測(cè)量端或工作端，俗稱熱端；

T0點(diǎn):為某一恒定溫度或室溫，被稱作參比端或參考端，俗稱冷端。

圖4-9塞貝克效應(yīng)示意圖

熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由溫差電勢(shì)（又稱湯姆遜電勢(shì)）和接觸電勢(shì)（又稱珀?duì)柼妱?shì)）兩種電勢(shì)組成。

溫差電勢(shì)：是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。當(dāng)同一熱電極兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量比低溫端的大，因而從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比逆向的多，結(jié)果造成高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷。當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡后，在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生較穩(wěn)定的電位差，即為溫差電勢(shì)，如圖

4-10所示。

接觸電勢(shì)：是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點(diǎn)接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象；擴(kuò)散的結(jié)果，接觸面上逐漸形成靜電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)具有阻礙原擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行的作用，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)，如圖

4-11所示。其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點(diǎn)的溫度，接點(diǎn)溫度越高，接觸電勢(shì)越大。設(shè)熱電偶兩熱電極分別為

A（為正極）和

B（為負(fù)極），兩端溫度分別為T、T0，且T>T0；則熱電偶回路總電勢(shì)為：

EAB(T,T0)=EAB

(T)-EAB

(T0)-EA(T,T0)+EB(T,T0)(4-8)

由于溫差電勢(shì)EA（T，T0）和EB（T，T0）均比接觸電勢(shì)小很多，通常均可忽略不計(jì)。又因?yàn)門>T0，故總電勢(shì)的方向取決于接觸電勢(shì)EAB（T）的方向，并且EAB（T0）總與EAB（T）的方向相反；這樣，（4-8）式可簡(jiǎn)化為：

EAB

(T,T0)=EAB

(T)-EAB

(T0)（4-9）式中：

EAB(T,T0

）為測(cè)量端和參比端溫度分別為

t、t0時(shí)的熱電勢(shì)；

為了得到實(shí)用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能：

①優(yōu)良的熱電特性熱電勢(shì)及熱電勢(shì)率（靈敏度）要大，熱電關(guān)系接近單值線性或近似線性，熱電性能穩(wěn)定；②良好的物理性能高電導(dǎo)率，小比熱，耐高溫，低溫下不易脆斷，高、低溫下不發(fā)生再結(jié)晶等；③優(yōu)良的化學(xué)性能如抗氧化、抗還原性和耐其他腐蝕性介質(zhì)等；④優(yōu)良的機(jī)械性能易于提純和機(jī)械加工、工藝性好，易于大批量生產(chǎn)和復(fù)制；⑤

足夠的機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)的使用壽命；

⑥

制造成本低，價(jià)值比較便宜。

2.熱電偶的分類及特性近一個(gè)世紀(jì)來(lái)，各國(guó)先后生產(chǎn)的熱電偶的種類有幾百種，應(yīng)用較廣的有幾十種，而國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為八種（目前我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一）。其中:分度號(hào)為

S、R、B

的三種熱電偶均由鉑和鉑銠合金制成，屬貴金屬熱電偶。分度號(hào)分別為

K、N、T、E、J的五種熱電偶，是由鎳、鉻、硅、銅、鋁、錳、鎂、鈷等金屬的合金制成，屬賤金屬熱電偶。這八種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電極材料、最大測(cè)溫范圍、適用氣氛等見表

4-5所示。

表4-6列出了不同等級(jí)（通常分為三級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)熱電偶適用測(cè)溫范圍和允差，供選用時(shí)參考。3.熱電偶結(jié)構(gòu)（1）普通工業(yè)用熱電偶

普通工業(yè)用熱電偶的種類很多，結(jié)構(gòu)和外形也不盡相同。如圖

4-12所示，熱電偶通常主要由熱端、熱偶絲、保護(hù)管、安裝固定件和接線盒

5部分組成。為了保證熱電偶正常工作，對(duì)其結(jié)構(gòu)提出如下要求：

①

測(cè)量端的焊接要牢固；

②

熱電極間必須有良好的絕緣；

③

參比端與導(dǎo)線的連接要方便、可靠；

④

用于對(duì)熱電極有害的介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，須采用保護(hù)管，將有害介質(zhì)隔開。

（2）鎧裝熱電偶

所謂鎧裝熱電偶，是將熱電偶絲和絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)管中制成的熱電偶。鎧裝熱電偶材料是將熱電偶絲裝在有絕緣材料的金屬套管中，三者經(jīng)組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)的組合體。將此鎧裝熱電偶線按所需長(zhǎng)度截?cái)?，?duì)其測(cè)量端和參比端進(jìn)行加工，即制成鎧裝熱電偶。由于它具有許多優(yōu)點(diǎn)，因而受到用戶歡迎，應(yīng)用很普通。主要優(yōu)點(diǎn)是：

①測(cè)量范圍寬:在-200～

160℃溫度范圍內(nèi)均能使用；②響應(yīng)速度快:時(shí)間常數(shù)只有

0.01s；

③撓性好、安