第4章溫度量傳感器及應用知識目標通過本課題的學習，了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢；掌握熱電偶基本定律及相關計算；了解溫度測量器件的結構、工作原理、特性。技能目標通過本課題的學習，掌握不同類型溫度傳感器的特點及應用場合；掌握集成溫度傳感器使用方法；正確熟練查找熱電偶分度表；能根據(jù)標準電極定律掌握熱電極的測定、選配方法；能正確選擇熱電偶補償導線，熟悉熱電偶冷端補償方法。4.1溫度測量基本知識4.1.1溫度的基本概念4.1.2溫標溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。1.

熱力學溫標1848年威廉·湯姆首先提出以熱力學第二定律為基礎，建立溫度僅與熱量有關，而與物質(zhì)無關的熱力學溫標。因是開爾文總結出來的，故又稱開爾文溫標，它是國際基本單位制之一。2.攝氏溫標攝氏溫標是工程上最通用的溫度標尺。攝氏溫標是在標準大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點與沸點中間劃分一百個等份，每一等份稱為攝氏一度(攝氏度，℃)，一般用小寫字母t表示。與熱力學溫標單位開爾文并用。攝氏溫標與國際實用溫標溫度之間的關系如下：T=t+273.15K（4-1）3.

華氏溫標華氏溫標目前已用得較少，它規(guī)定在標準大氣壓下冰的融點為32華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度，單位符號是℉。4.1.3溫度傳感器的分類及發(fā)展方向溫度傳感器分類方法比較多，按是否與被測對象接觸可分為接觸式和非接觸式溫度傳感器；按不同工作原理可分為體積膨脹式、電阻式、熱電式等；按測溫范圍不同分為低溫傳感器、中溫用傳感器和高溫傳感器；按輸特性不同分為線性型、開關型等。溫度傳感器的主要發(fā)展方向：（1）超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和–250℃以下的溫度傳感器。（2）提高溫度傳感器的精度和可靠性。（3）研制家用電器、汽車及農(nóng)畜業(yè)所需要的價廉的溫度傳感器。（4）發(fā)展新型產(chǎn)品，擴展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發(fā)展薄膜熱電偶；研究節(jié)省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。（5）發(fā)展適應特殊測溫要求的溫度傳感器。（6）發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動化的溫度傳感器。4.2電阻式溫度傳感器4.2.1熱電阻傳感器1.熱電阻傳感器基本工作原理熱電阻是利用電阻與溫度成一定函數(shù)關系的特性，由金屬材料制成的感溫元件。當被測溫度變化時，導體的電阻隨溫度變化而變化，通過測量電阻值變化的大小而得出溫度變化的情況及數(shù)值大小，這就是熱電阻測溫的基本工作原理。2.常用熱電阻及特性⑴鉑電阻鉑電阻是目前公認的制造熱電阻的最好材料，它性能穩(wěn)定，重復性好，測量精度高，其電阻值與溫度之間有很近似的線性關系。缺點是電阻溫度系數(shù)小，價格較高。鉑電阻主要用于制成標準電阻溫度計，其測量范圍一般為-200～+850℃。⑵

銅電阻銅電阻的特點是價格便宜（而鉑是貴重金屬），純度高，重復性好，電阻溫度系數(shù)大，α=（4.25～4.28）×10-3/℃（鉑的電阻溫度系數(shù)在0～100℃之間的平均值為3.9×10-3/℃）,其測溫范圍為-50～+150℃，當溫度再高時，裸銅就氧化了。在上述測溫范圍內(nèi)，銅的電阻值與溫度呈線形關系，可表示為

Rt=R0（1+ɑt）⑶其他熱電阻除了鉑和銅熱電阻外，還有鎳和鐵材料的熱電阻。鎳和鐵的電阻溫度系數(shù)大，電阻率高，可用于制成體積大、靈敏度高的熱電阻。但由于容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提純，重復性和線性度差，目前應用還不多.3.熱電阻的測量電路熱電阻三線制接法測量橋路熱電阻測溫電路的四線制接法4.熱電阻的應用①溫度測量②流量測量4.2.2熱敏電阻和集成溫度傳感器1.熱敏電阻結構大部分半導體熱敏電阻是由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫燒結而成。如圖4-7所示。多數(shù)熱敏電阻具有負的溫度系數(shù)，即當溫度升高時，其電阻值下降，同時靈敏度也下降。由于這個原因，限制了它在高溫下的使用。2.熱敏電阻的熱電特性3.熱敏電阻應用實例⑴溫度控制⑵晶體管的溫度補償⑶電動機的過載保護控制4.集成溫度傳感器

⑴AD590系列集成溫度傳感器⑵AD22100集成溫度傳感器4.3熱電式溫度傳感器4.3.1熱電偶工作原理1.工作原理(1)

熱電效應將兩種不同成分的導體組成一閉合回路，如圖4-17所示。當閉合回路的兩個結點分別置于不同的溫度場中時，回路中將會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”。熱電效應于1821年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應。兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。熱電勢由兩部分組成，一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。(2)

接觸電勢圖4-17熱電偶回路原理圖4-18熱電動勢示意圖(3)

溫差電動勢(4)

熱電偶的電勢-—結論（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論接點處的溫度如何，總電勢為零；（2）如果兩接點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為零；（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結點電勢差。（4）如果使冷端溫度Ｔ0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度Ｔ的單一函數(shù)。用實驗方法求取這個函數(shù)關系。2.熱電偶的基本定律(1)

均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路中,不論導體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何,都不能產(chǎn)生熱電勢。該定律說明：（1）熱電偶必須采用兩種不用材料的導體組成；（2）熱電偶必須由均質(zhì)材料構成，如果熱電偶的熱電極是非均質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。因此該定律有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。(2)

中間導體定律在熱電偶中接入第三種均質(zhì)導體，只要第三種導體的兩結點溫度相同，則熱電偶的熱電勢不變。=推論：在熱電偶中接入第四、五種導體，只要保證插入導體的兩結點溫度相同，且是均質(zhì)導體，則熱電偶的熱電勢仍不變。(3)

標準電極定律如圖4-20所示，已知熱電極A、B分別與標準電極C組成熱電偶在接點溫度為（T，T0）時的熱電動勢分別為EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，則在相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢為EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)【例4-1】已知鉑銠30-鉑熱電偶的EAC（1084.5,0）=13.937(mV)，鉑銠6-鉑熱電偶的EBC（1084.5,0）=8.354(mV)。求鉑銠30-鉑銠6在相同溫度條件下的熱電動勢。解：由標準電極定律可知，EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)所以EAB（1084.5,0）=EAC（1084.5,0）-EBC（1084.5,0）=13.937-8.354=5.583(mV)(4)

中間溫度定律熱電偶在兩結點溫度分別為T

、T0時的熱電勢等于該熱電偶在結點溫度為T、Tn和Tn、T0相應熱電勢的代數(shù)和；即【例4-2】鎳鉻—鎳硅熱電偶，工作時其自由端溫度為30℃,測得熱電勢為39.17mV,求被測介質(zhì)的實際溫度。解：由t0=0℃,查鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表，E（30,0）=1.2mV，又知E（t,30）=39.17mV所以E（t,0）=E（30,0）+E（t,30）=1.2mV+39.17mV=40.37mV。再用40.37mV反查分度表得977℃，即被測介質(zhì)的實際溫度4.3.2熱電偶的結構形式及材料1.熱電偶的基本結構形式為了適應不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件,熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置等部分組成。(1)

普通型熱電偶(2)

鎧裝熱電偶

(3)

薄膜熱電偶

2.熱電偶材料(1)

對熱電極材料的一般要求①配對的熱電偶應有較大的熱電勢，并且熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關系；②能在較寬的溫度范圍內(nèi)應用，并且在長時間工作后，不會發(fā)生明顯的化學及物理性能的變化；③電阻溫度系數(shù)小，電導率高；④易于復制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。(2)

電極材料的分類①一般金屬如鎳鉻—鎳硅，銅—鎳銅，鎳鉻—鎳鋁，鎳鉻—考銅等。②貴金屬這類熱電偶材料主要是由鉑、銥、銠、釕、鋨及其合金組成，如鉑鐒—鉑、銥銠—銥等。③難熔金屬這類熱電偶材料系由鎢、鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組成，如鎢錸—鎢錸、鉑銠—鉑銠等熱電偶。(3)

絕緣材料熱電偶測溫時，除測量端以外，熱電極之間和連接導線之間均要求有良好的電絕緣，否則會有熱電勢損耗而產(chǎn)生測量誤差，甚至無法測量。①有機絕緣材料這類材料具有良好的電氣性能，物理及化學性能和工藝性，但耐高溫、高頻和穩(wěn)定性較差。②無機絕緣材料有較好的耐熱性，常制成圓形或橢圓形的絕緣管，有單孔、雙孔、四孔及其它特殊規(guī)格。(4)

保護管材料對保護材料的要求是：①氣密性好，可有效地防止有害介質(zhì)深入而腐蝕結點和熱電極；②應有足夠地強度及剛度，耐振、耐熱沖擊；③物理化學性能穩(wěn)定，在長時間工作中不至于介質(zhì)、絕緣材料和熱電極互相作用，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體；④導熱性能好，使結點與被測介質(zhì)有良好的熱接觸。3.常用熱電偶(1)

標準型熱電偶(2)

非標準型熱電偶①銥和銥合金熱電偶如銥50銠—銥10釕、銥銠40-銥、銥銠60-銥熱電偶。它能在氧化環(huán)境中測量高達2100℃的高溫，且熱電動勢與溫度關系線性好。②鎢錸熱電偶60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸3-鎢錸25、鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍在300～2000℃，分度精度為1％。主要用于鋼水連續(xù)測溫、反應堆測溫等場合。③金鐵—鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。④鈀—鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時的熱電勢為47.255mV，比鉑銠10—鉑熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業(yè)。4.3.3熱電偶冷端延長1.補償導線的概念補償導線（A′,B′）是兩種不同材料的、相對比較便宜的金屬（多為銅與銅的合金）導體。它們的自由電子密度比和所配接型號的熱電偶的自由電子密度比相等，所以補償導線在一定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)[如：（0～100）℃]與所配接的熱電偶具有相同的溫度—熱電動勢關系，即：2.常用補償導線4.3.4熱電偶實用測溫線路和溫度補償1.熱電偶實用測溫線路合理安排熱電偶測溫線路，對提高測溫精度和維修等方面都有十分重要的意義。(1)

測量某點溫度的基本電路基本測量電路包括熱電偶、補償導線、冷端補償器、連接用銅線、動圈式顯示儀表。如圖4-26所示是一支熱電偶配一臺儀表的測量線路。(2)

測量溫度之和—熱電偶串聯(lián)測量線路

(3)

測量平均溫度—熱電偶并聯(lián)測量線路

(4)

測量兩點之間的溫度差

2.熱電偶的溫度補償(1)

冷端恒溫法①0℃恒溫法在實驗室及精密測量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0℃,這種方法又稱冰浴法。②其它恒溫法將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持恒定溫度，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫，也可以是電加熱的恒溫器，這類恒溫器的溫度不為0℃，故最后還需對熱電偶進行冷端修正。(2)

計算修正法例4-3】用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環(huán)境溫度為30℃(且恒定)，求池水的真實溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)=1.203mV所以：E(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV查分度表知其對應的實際溫度為T=88℃。即池水的真實溫度是88℃。(3)

電橋補償法(4)

儀表機械零點調(diào)整法儀表機械零點調(diào)整法是當熱電偶與動圈式儀表配套使用時，若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求又不太高時，可將動圈式儀表的機械零點調(diào)整至熱電偶冷端所處的溫度T0處，這相當于在輸入熱電偶的熱電動勢之前就給儀表輸入一個熱電動勢E（T0，0℃）。這樣，儀表在使用時所指示的值約為

E（T0，0℃）+E(T,T0)(5)

軟件處理法對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。對于經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其他傳感器把信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。4.3.5熱電偶傳感器應用實例1.熱電偶測量爐溫系統(tǒng)2.工業(yè)現(xiàn)場利用熱電偶測量爐溫的誤差分析

（1）安裝不當引入的誤差（2）絕緣變差而引入的誤差（3）熱惰性引入的誤差（4）熱阻誤差本章小結溫度是表征物體或系統(tǒng)的冷熱程度的物理量，它是國際單位制中七個基本單位之一。從能量角度看，溫度是描述