第三章第二节热电阻温度测量

1、第第3 3章章 温度检测温度检测p温度温度（temperature）是工业生产过程中的主要工是工业生产过程中的主要工艺参数之一。艺参数之一。主要内容：主要内容：测温方法及温标测温方法及温标接触式测温接触式测温-热电偶热电偶* *、热电阻、热电阻* *、集成温度传、集成温度传感器感器非接触式测温非接触式测温-辐射测温原理、辐射测温仪表辐射测温原理、辐射测温仪表光纤温度传感器光纤温度传感器-液晶、荧光、半导体光纤温液晶、荧光、半导体光纤温度传感器及光纤辐射温度计度传感器及光纤辐射温度计测温实例测温实例温度计的分类：温度计的分类：按物理性质分：按物理性质分：v物质的热膨胀与温度的关系物质的热膨胀与温

2、度的关系固体膨胀温度固体膨胀温度计计（双金属双金属）、）、液体膨胀温度计液体膨胀温度计（玻璃水银玻璃水银）、）、气体膨气体膨胀温度计胀温度计（压力表式压力表式）v利用金属或半导体阻值与温度的关系利用金属或半导体阻值与温度的关系热电热电阻阻（铂、铜等铂、铜等）v利用热电效应利用热电效应热电偶热电偶（两种不同金属导体在两两种不同金属导体在两个端点上互相接触，当其两个接点温度不同时，回路中个端点上互相接触，当其两个接点温度不同时，回路中会产生热电势会产生热电势）v利用物体的辐射能与温度的关系利用物体的辐射能与温度的关系辐射温度辐射温度计计（辐射能与温度存在一定的关系，如光电高温计辐射能与温度存在一定

3、的关系，如光电高温计）需要电源激励、有自热现象，影响测量精度。需要电源激励、有自热现象，影响测量精度。测温原理测温原理利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性。利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性。特点特点：金属热电阻稳定性高、互换性好、准确高；信号可金属热电阻稳定性高、互换性好、准确高；信号可远传、灵敏度高、无需参比温度。远传、灵敏度高、无需参比温度。分类分类按制造按制造材料材料分成分成金属热电阻金属热电阻和和半导体热电阻半导体热电阻按是否有国家统一的标准分度表分为按是否有国家统一的标准分度表分为标准化和非标准化标准化和非标准化按按用途用途分为分为工业用的、精密的和标准的工业用的、精密的和标

4、准的热电阻热电阻按按结构结构分为分为普通的、铠装的和薄膜普通的、铠装的和薄膜热电阻热电阻3.2.23.2.2 热电阻热电阻(thermo-resistance)测温测温薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻小型铂热电阻 防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 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 1 1、材料选择要求、材料选择要求 电阻与温度变化成单值连续关系，最好是线性；电阻与温度变化成单值连续关系，最好是线性； 有尽可能大的电阻温度系数；电阻温度系数为：有尽可能大的电阻温度系数；电阻温度系数为：电阻率大，减小元件尺寸，减小惯性；电阻率大，减小元件尺寸

5、，减小惯性；R R0 0很重要；很重要；在测温范围内物理化学性质稳定；在测温范围内物理化学性质稳定；复现性好，复制性强，是易得到高纯物质，价格廉。复现性好，复制性强，是易得到高纯物质，价格廉。目前使用较多的热电阻材料为铜、铂目前使用较多的热电阻材料为铜、铂。一、金属热电阻一、金属热电阻2 2、工业热电阻、工业热电阻铂热电阻铂热电阻n特点：特点：铂热电阻的精度高，体积小，测温范围宽，铂热电阻的精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但是价格较贵。稳定性好，再现性好，但是价格较贵。n电阻与温度电阻与温度的关系为：的关系为：n使用范围：使用范围：为为-200-200850850，00电阻值电

6、阻值R R0 0选用选用1010和和100100两种，两种，分度号分度号为为Pt10Pt10和和Pt100Pt100。铜热电阻铜热电阻n特点：特点：铜热电阻线性较好，价格低，电阻率低，因铜热电阻线性较好，价格低，电阻率低，因而体积较大，热响应慢，可作测量区域平均温度的感而体积较大，热响应慢，可作测量区域平均温度的感温元件。温元件。n电阻与温度电阻与温度的关系为：的关系为：n使用范围：使用范围：为为-40-40140140，R R0 0选用选用5050和和100100两种，两种，分度号分度号分别为分别为Cu50Cu50和和Cu100Cu100。3 3、热电阻结构、热电阻结构电阻丝采用无感绕法电阻

7、丝采用无感绕法（两线圈电流流向相（两线圈电流流向相反，电感互相抵消）反，电感互相抵消）绕在绝缘支架上。图绕在绝缘支架上。图b b所示。所示。与热电偶结构形式有何异同与热电偶结构形式有何异同普通型、铠装型和薄膜型普通型、铠装型和薄膜型普通型热电阻普通型热电阻与热电偶外型相同，只是内部不同：感温元件不同；接线盒与热电偶外型相同，只是内部不同：感温元件不同；接线盒内部的接线座不同（热电偶内部的接线座不同（热电偶2 2个，热电阻为了消除引线电阻影个，热电阻为了消除引线电阻影响有响有3 3个或个或4 4个）。个）。铠装热电阻铠装热电阻 感温元件焊接到预先拉制好的与保护套管和绝缘材感温元件焊接到预先拉制好

8、的与保护套管和绝缘材料组成一体的导线上，外面焊保护套管，感温元件与料组成一体的导线上，外面焊保护套管，感温元件与保护套管间填绝缘材料，最后封头。保护套管间填绝缘材料，最后封头。n优点：优点：克服普通型热电阻的响应慢、耐振性和坚固克服普通型热电阻的响应慢、耐振性和坚固性差的缺点。性差的缺点。薄膜型热电阻薄膜型热电阻 用真空镀膜法将纯金属直接蒸镀于绝缘的基片上而用真空镀膜法将纯金属直接蒸镀于绝缘的基片上而制成的。外形有棒状和片状。制成的。外形有棒状和片状。n特点：特点：体积小，灵敏度高，响应速度快。体积小，灵敏度高，响应速度快。二线制二线制简单、费用低，带来附加误差简单、费用低，带来附加误差。三线

9、制三线制一端接两根导线，另一一端接两根导线，另一端接一根导线。将引线接入两个桥臂，端接一根导线。将引线接入两个桥臂，可消除电阻影响，提高测量精度。可消除电阻影响，提高测量精度。四线制四线制两端各连两根导线，其中两端各连两根导线，其中两根导线提供恒流源，热电阻上的压降两根导线提供恒流源，热电阻上的压降通过另外两根导线接测量仪表。当测量通过另外两根导线接测量仪表。当测量端的电流很小时，可消除引线电阻对测端的电流很小时，可消除引线电阻对测量的影响，用于高精度检测。量的影响，用于高精度检测。4 4、热电阻引线方式、热电阻引线方式引线方式有二线制、三线制和四线制三种。引线方式有二线制、三线制和四线制三种

10、。思考题：热电阻测温与热电偶测温有什么不同？思考题：热电阻测温与热电偶测温有什么不同？*采用三线制或四线制测量电路，可以克服长连接导采用三线制或四线制测量电路，可以克服长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误差线的电阻在环境温度变化时造成测量误差 。 注意注意：为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些,一般一般要求小于要求小于10mA。 uA 1R2R4RtRrrrE 1142)(RrRrRRRt)()(421rRRrRRt 21RR 若142RRRRt则 金属热电阻使用的

11、特点n与热电偶相比，同种温度下输出信号大，易于测量；n测量热电阻的阻值必须借助外加电源，热电偶能输出热电势可直接进行测量；n热电偶需要冷端温度补偿，热电阻不需要；n热电偶测温上限高，但在低温区热电阻测温较好A E1R2R1tR2tRVWR21ttRR 、21RR 、 0V0V热电阻传感器热电阻传感器n工作原理：工作原理：利用半导体器件的温度特性：基极利用半导体器件的温度特性：基极- -发射极之间的正发射极之间的正向压降随温度的升高而减少，故将向压降随温度的升高而减少，故将PNPN结晶体管作感温结晶体管作感温元件，并且与有关电子线路集成化，构成集成温度传元件，并且与有关电子线路集成化，构成集成温

12、度传感器。感器。集成温度传感器集成温度传感器n分类：晶体管组合集成的方法不同，可制成分类：晶体管组合集成的方法不同，可制成电压输电压输出或电流输出出或电流输出的集成温度传感器。的集成温度传感器。集成温度传感器在工作时，必须与被测物体有集成温度传感器在工作时，必须与被测物体有良好的接触，良好的接触，其响应速度取决于热接触的条件。其响应速度取决于热接触的条件。例：例： 采用晶体管组合集成采用晶体管组合集成方法制成的集成温度传感方法制成的集成温度传感器的原理图，利用了两个器的原理图，利用了两个发射极面积不同的晶体管发射极面积不同的晶体管基极基极- -发射极电压差于温度发射极电压差于温度成线性关系的特

13、性。成线性关系的特性。当当R R、m m一定时，输出电流与一定时，输出电流与温度有良好的线性关系。温度有良好的线性关系。集成温度传感器工作温度为集成温度传感器工作温度为-55-55150150，外接电压，外接电压5 530V30V。典型非接触式测温典型非接触式测温不会破坏被测温度场，可实现遥测和运动物体温度的测量；不会破坏被测温度场，可实现遥测和运动物体温度的测量；测量元件不必与被测对象有相同的温度，测量上限可不受感测量元件不必与被测对象有相同的温度，测量上限可不受感温元件熔点限制；温元件熔点限制；400 2000不必和被测对象达到热平衡，故仪表的反映速度快，适于快不必和被测对象达到热平衡，故

14、仪表的反映速度快，适于快速测量；速测量；灵敏度高、精确度好，用于接触式测温仪表无能为力的地方。灵敏度高、精确度好，用于接触式测温仪表无能为力的地方。辐射辐射(radialization)测温测温测温原理测温原理 基于物体的热辐射能量（强度）随其温度的变化而基于物体的热辐射能量（强度）随其温度的变化而变化的特性来检测其温度的。变化的特性来检测其温度的。辐射测温的辐射测温的特点特点：思考题：接触式测温与非接触式测温各有什么特点？主要内容：主要内容：n辐射测温仪表的基本组成和常用方法辐射测温仪表的基本组成和常用方法n辐射测温仪表辐射测温仪表光电高温计、辐射温度计、比色温度光电高温计、辐射温度计、比色

15、温度计的原理及特点、组成或分类计的原理及特点、组成或分类n辐射测温仪表的表观温度辐射测温仪表的表观温度表观温度、亮度温度、辐表观温度、亮度温度、辐射温度及比色温度射温度及比色温度普朗克定律普朗克定律（黑体辐射的光谱分布定律）（黑体辐射的光谱分布定律）绝对黑体绝对黑体（黑体）的单色辐射强度（黑体）的单色辐射强度E E00与波长与波长及温度及温度T T的关系：的关系：维恩位移定律维恩位移定律单色辐射强度的峰值波长单色辐射强度的峰值波长m m与温度与温度T T之间的关系：之间的关系： 说明不同温度下黑体的单色辐射强度按波长的分布有峰值；说明不同温度下黑体的单色辐射强度按波长的分布有峰值；温度升高时，

16、辐射强度最大值的对应波长向短波方向移动。温度升高时，辐射强度最大值的对应波长向短波方向移动。一、辐射测温原理一、辐射测温原理绝对黑体的全辐射定律绝对黑体的全辐射定律在在=0 0的全部波长范围内的全部波长范围内对对E E00积分积分。式中式中为史蒂芬为史蒂芬- -玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。实际物体辐射能力低于黑体，称为实际物体辐射能力低于黑体，称为灰体灰体。通常用。通常用黑度系数来表示灰体的相对辐射能力。黑度系数来表示灰体的相对辐射能力。黑度系数黑度系数定定义为同一温度下灰体和黑体的辐射能力之比，用符义为同一温度下灰体和黑体的辐射能力之比，用符号号表示，其值在表示，其值在0 01 1之间。之间

17、。代表单色辐射黑代表单色辐射黑度系数，度系数，代表全辐射黑度系数。则普朗克定律和代表全辐射黑度系数。则普朗克定律和全辐射定律可以修正为：全辐射定律可以修正为：基本组成：基本组成：光学系统、检测元件、转换电路和信号处理光学系统、检测元件、转换电路和信号处理光学系统光学系统包括瞄准系统、透镜、滤光片等，把物体的辐射能量包括瞄准系统、透镜、滤光片等，把物体的辐射能量通过透镜聚焦到检测元件；通过透镜聚焦到检测元件；检测元件检测元件为光敏或热敏元件；为光敏或热敏元件；转换转换电路和信号处理电路和信号处理系统将信号转换、放大、进行辐射率修正和标系统将信号转换、放大、进行辐射率修正和标度变换后，输出与被测温

18、度相应的信号。度变换后，输出与被测温度相应的信号。被测被测对象对象光学光学系统系统检测检测元件元件转换转换电路电路信号信号处理处理参考参考光源光源图图4-11 4-11 辐射测温仪表主要组成框图辐射测温仪表主要组成框图二、辐射测温仪表的基本组成及常用方法二、辐射测温仪表的基本组成及常用方法（1 1）亮度法）亮度法 按照物体的光谱或部分连续波长辐射按照物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度。亮度推算温度。（2 2）全辐射法）全辐射法 按照物体全波长范围内的辐射亮度按照物体全波长范围内的辐射亮度推算温度。推算温度。（3 3）比色法）比色法 按照物体两个波长的光谱辐射亮度之按照物体两个波长的光谱辐

19、射亮度之比推算温度。比推算温度。（4 4）多色法）多色法 按照物体多个波长的光谱辐射亮度和按照物体多个波长的光谱辐射亮度和物体发射率随波长变化的规律来推算温度。物体发射率随波长变化的规律来推算温度。辐射测温的常用方法：辐射测温的常用方法：* * *光学系统和检测元件对辐射光谱均有选择性光学系统和检测元件对辐射光谱均有选择性，故各辐射测温系，故各辐射测温系统一般只接受一定波长范围内的辐射能。统一般只接受一定波长范围内的辐射能。（1 1）光电高温计）光电高温计(photoelectric pyrometer) ) 测量原理测量原理：采用：采用亮度平衡法测温亮度平衡法测温比较被测物比较被测物与参考源

20、在同一波长下的光谱辐射亮度，并使二者与参考源在同一波长下的光谱辐射亮度，并使二者的亮度相等，从而确定被测物温度的一种方法。的亮度相等，从而确定被测物温度的一种方法。亮度平衡法亮度平衡法光学高温计、光电高温计和部分光学高温计、光电高温计和部分辐射温度计等。光学高温计是人工操作；辐射温度计等。光学高温计是人工操作；工作原理工作原理：图：图4-124-12为一种光电高温计工作原理为一种光电高温计工作原理特点：避免了人工误差，灵敏度高，精确度高，特点：避免了人工误差，灵敏度高，精确度高，响应快。响应快。三、辐射测温仪表三、辐射测温仪表l不同光电元件对不同波长敏感，而不同光电元件对不同波长敏感，而mTm

21、T= =常数，常数，所以可测不同的温度。所以可测不同的温度。l 如硅光电池可测如硅光电池可测600 600 1000 1000 及以上，及以上，l 硫化铅元件可测硫化铅元件可测400 400 800 800 及以下。及以下。图图4-12 4-12 光电高温计的工作原理光电高温计的工作原理 1-1-物镜物镜 2- 2-孔镜孔镜 3 3，5-5-孔孔 4- 4-光电池光电池 6- 6-遮光板遮光板 7- 7-调制片调制片 8-8-永久磁铁永久磁铁 9- 9-激磁绕组激磁绕组 10- 10-透镜透镜 11- 11-反射镜反射镜 12- 12-观察孔观察孔13-13-前置放大器前置放大器 14- 14

22、-主放大器主放大器 15- 15-反馈灯反馈灯 16- 16-电位差计电位差计17-17-被测物被测物被测物被测物光光光光光学光学系统系统调调制制器器光光硅光硅光电池电池电电放大器放大器电电反馈灯反馈灯光光电位电位差计差计电电uo=RI（2 2）辐射温度计）辐射温度计(radialization pyrometer) l原理原理：全辐射定律全辐射定律物体的全辐射能量与温物体的全辐射能量与温度有关：度有关： 用敏感元件接受物体的全辐射能量就可以确定被测用敏感元件接受物体的全辐射能量就可以确定被测物温度物温度。l组成组成：光学系统（光学系统（分为反射式和透射式分为反射式和透射式）、检测）、检测元件

23、（元件（有热电堆元件、热释电元件、硅光电池、热有热电堆元件、热释电元件、硅光电池、热敏电阻等敏电阻等）l特点特点：40040020002000，无参考源，故响应速度快，无参考源，故响应速度快于光电高温计，属于开环测量，因此中间介质的吸于光电高温计，属于开环测量，因此中间介质的吸收和各环节影响大使精度低。收和各环节影响大使精度低。4TE（3 3）比色温度计）比色温度计(colorimetry pyrometer) 原理原理：物体的光谱辐射能量不仅与波长有关还与：物体的光谱辐射能量不仅与波长有关还与温度有关，通过测量两个波长下的光谱辐射亮度温度有关，通过测量两个波长下的光谱辐射亮度之比就可以确定被

24、测物温度。之比就可以确定被测物温度。分类分类：单通道型单通道型- -通过调制盘由一个检测元件接收信号；通过调制盘由一个检测元件接收信号；双通道型双通道型- -用分光的方法由两个检测元件接收信号；用分光的方法由两个检测元件接收信号；色敏型色敏型- -用色敏元件，在同一探测器中有两个响应不同用色敏元件，在同一探测器中有两个响应不同波长的单元。波长的单元。特点特点：也属于开环仪表，也无参考源，响应速度：也属于开环仪表，也无参考源，响应速度快，测温范围快，测温范围400400 20002000 均以黑体炉作基准进行标定和刻度的，实际测量时要修正。均以黑体炉作基准进行标定和刻度的，实际测量时要修正。亮亮

25、度度温温度度 LLTcTT 1ln112 辐辐射射温温度度 PPTTT 14 光谱发射率光谱发射率为为 ),(),( )11(),(),(ln112121221TTcTTTTR 四、辐射测温仪表的表观温度四、辐射测温仪表的表观温度亮度温度亮度温度辐射温度辐射温度比色温度比色温度表观温度表观温度 指在仪表工作波长范围内，温度为指在仪表工作波长范围内，温度为T T的辐射体的辐射情况与的辐射体的辐射情况与温度为温度为T TL L的绝对黑体的辐射情况相等，则的绝对黑体的辐射情况相等，则T TL L就是该辐射体的表就是该辐射体的表观温度。与测温仪表相对应的表观温度观温度。与测温仪表相对应的表观温度- -

26、亮度温度亮度温度、辐射温度辐射温度和和比色温度比色温度可利用公式求得被测物体的实际温度。可利用公式求得被测物体的实际温度。 测温仪表的选用测温仪表的选用1 1. .选用原则选用原则1 1）精度符合误差要求；）精度符合误差要求；2 2）操作方便、运行可靠、经济合理，统一品种与规格）操作方便、运行可靠、经济合理，统一品种与规格3 3）量程略大于实测范围）量程略大于实测范围（9090）； 4 4）高温：热电偶；低温：热电阻）高温：热电偶；低温：热电阻5 5）保护套管的耐压等级管线或设备的耐压等级）保护套管的耐压等级管线或设备的耐压等级温度仪表操作条件指示地点一般现场测量范围性能特点压力表式温度计双金

27、属温度计液体温度计铜电阻铂电阻热电阻铜康铜镍铬康铜镍铬镍硅铂铑铂铂铑铂铑热电偶测量范围辐射温度计室温热电阻高压热电阻微型热电阻油罐平均温度计恒温室,冷藏库等特殊热电阻铠装热电偶多点(只)热电偶耐磨热电偶吹气热电偶用于震动，腐蚀等场合特殊热电偶测量范围精度高就地集中一 般-50 +150-200 +1500 +3000 +6000 +11000 +14000 +1600+2000特殊远传5%，温度8700 +1600-200 +650 选用原则示意图选用原则示意图测温实例测温实例一、管道内流体温度的测量一、管道内流体温度的测量n方法方法采用接触式测温方法，测温元件直接插入流体中。为采用接触式测温方法，测温元件直接插入流体中。为了正确反映流体温度和减少测量误差，要注意合理地选择测点了正确反映流体温度和减少测量误差，要注意合理地选择测点位置，并使测温元件与流体充分接触。具体考虑以下几点：位置，并使测温元件与流体充分接触。具体考虑以下几点：测温元件与流体充分接触，合理地选择测点位置：测温元件与流体充分接触，合理地选择测点位置：测点位置要选在有代表性