传感器温度测量

第一讲温度测量与控制的现状与最新发展第一节温度测量概况温度测量的意义；温度计的精度等级和分度值（摄氏度）；常见的温度传感器；数字测温系统；温度测量的基本知识——温度、温标；温度测量仪表分类与选择。一温度测量意义温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。对人体：“温度不可控，就会要人命”；非典对工业：“温度不可控，质量没保证”；对农业：“没有温度，没有食物”；温室大棚对测量：“温度控不住，不可能上精度”。热胀冷缩二、温度计的精度等级和分度值（摄氏度）

双金属温度计1，1.5，2.5，0.5~20

压力式温度计1，1.5，2.5，0.5~20

玻璃液体温度计0.5~2.5，0.1~10

热电阻0.5~3，1~10热电偶0.5~1，5~20光学高温计1~1.5，5~20辐射温度计（热电堆）1.5，5~20部分辐射温度计1~1.5，1~20比色温度计1~1.5三常见的接触式温度传感器四各种数字测温系统重点在应用五、温度和温标的概念温度——表征物体冷热程度的物理参数模拟图：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！温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。温标——用来度量温度高低的标尺摄氏温标（℃）CentigradeTemperatureScale华氏温标（℉）FahrenheitTemperatureScale热力学温标（K）ThermodynamicsTemperatureScale

国际温标InternationalTemperatureScale1.摄氏温标

1740年瑞典人摄氏(Celsius)

定义水银体膨胀是线性；标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，沸点为100度，而将汞柱在这两点间等分为100格，每等分格为摄氏1度，标记为℃。2.华氏温标定义1714年德国人法伦海脱(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为212度，氯化铵与冰的混合物为0度(纯水冰点32度)，中间等分为212份，每一份为1度记作℉。称为华氏温标。3.热力学温标(理想)Q1：卡诺热机从高温热源吸收热量；Q0：卡诺热机向低温热源放出热量Q1/Q0=T1/T0假设一卡诺热机工作在温度为T0（273.16K）的低温热源和未知温度的高温热源之间，如果该卡诺热机向低温热源放出的热量为Q0，从高温热源吸收的热量为Q1，那么高温热源的温度为T1=

Q1/Q0·T0T0T1卡诺热机Q0Q1热力学温度的内插方程假设一标准热源热力学温度为100K，热力学温标如何规定300K的温度？拿标准热源作为低温热源，另一热源作为高温热源，让一卡诺热机在两热源之间运转，如果从高温热源吸收的热量Q1与向标准热源放出的热量Q0之比等于3

，那么高温热源温度等于300K3.热力学温标现实中热力学温标是应用气体特性方程实现的。理想气体的P、V、T之间的关系式为：以水的三相点作为参考点，这样可按照气体压力变化测温。（气体定容温度计）3.热力学温标（实际）选用水的三相点温度为273.16，定义水的三相点温度的1/273.16为1度，单位为k，这样就建立了热力学温标。只要确定一个基准点，则整个温标就确定了。3.热力学温标4.国际实用温标ITS-90指导思想:应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好。内容（1）定义了固定点，共有17个。（2）规定不同区域内的基准仪器。（3）建立基准仪器示值与国际温标之间的插补公式。国际实用温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温度为273.16，单位为k，1k的大小为水的三相点热力学温度的1/273.16，由于摄氏温标将冰点定义为0℃，而冰点比水的三相点低0.01k，那么冰点温度为273.15k，即单位℃。4.国际温标ITS-90六温度测量仪表分类与选择玻璃管液体温度计固体膨胀式压力式温度计膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温接触法非接触法测温方法温度测量方法的分类1．接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。优点：直观、可靠。缺点：①存在负载效应，②受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测元件温度与被测对象温度不一致。③热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。（动态误差）2．非接触法测温：检测部分与被测对象不直接接触，不破坏原有温度场。通常用来测量1000℃以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。（一）温度测量方法的分类温度传感器装配式热电偶防爆热电阻1膨胀式温度计测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或体积变化的大小。分类：液体膨胀式、固体膨胀式、压力式（a）工作原理利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。组成：液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分。液体可为：水银、酒精、甲苯等。当温度超过300℃时，应采用硅硼玻璃，500℃以上要采用石英玻璃。（1）玻璃管液体温度计4（b）结构与类型棒式玻璃温度计内标式玻璃温度计电接点式温度计利用水银的热胀冷缩和水银的导电性。功能:①指示温度;②恒温自动控制。

玻璃棒温度计（3）误差分析（a）玻璃材料有较大的热滞后效应。（b）温度计插入深度不够将引起误差，（c）非线性误差（d）工作液的迟滞性（e）读数误差液柱应全部浸入被测介质中。若只有部分液柱被浸没时，应对指示值进行修正。

某水银温度测量水温为90℃，插入处刻度为10℃，环境温度为10℃，则测量误差为-1.024℃n:露出液体部分所占的刻度数，:工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（汞0.00016，洒精0.000103），t:温度计的示值，ta:露出液柱部分所处的环境温度（3）．误差分析玻璃管液体温度计使用注意事项温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质达到热平衡。读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触摸标尺。2固体膨胀式温度计（1）类型及工作原理利用固体受热膨胀原理制成的温度计Ⅰ杆式温度计利用固体（一般采用膨胀系数较大的金属）材料构成Ⅱ

双金属温度计它的感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固地结合在一起制成。可作温度继电控制、极值温度控制信号固定端自由端Ⅱ

双金属温度计双金属温度计3压力式温度计（1）工作原理与结构形式a原理压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力随温度变化来测温；b分类按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比感温部件（温包、接头管）+毛细管+盘簧管（多圈弹簧管）3组成温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）（二）使用方法与特点对毛细管采取保护措施，防止损坏；注意安装方式与位置对精度的影响。特点：结构简单，价格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滞后时间长，毛细管易损坏。4示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色第2节

热电偶温度计

ThermocoupleThermometer

热电偶测温原理冷端温度补偿问题热电偶的校验热电偶的基本定律常用热电偶的种类热电偶的构造概述1）热电偶是应用最普遍、最广泛的温度测量元件。

2）既可用于流体温度测量也可用于固体温度测量，既可以检测静态温度也能测量动态温度。

3）在火电厂中，主蒸汽、过热器管壁与高温烟气等的温度都是采用热电偶测量的。

4）热电偶一般用于测量100～1600℃范围内温度，用特殊材料制成的热电偶还可测更高或更低的温度；5）热电偶将感受到的温度信号直接转换成电势信号输出，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。一、热电偶测温原理热电偶由两根不同材料的导体焊接或绞接而成。先看一个实验——热电偶工作原理演示

ABAB从实验到理论：

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小。

将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势，称为热电势。这个物理现象称为热电效应

或塞贝克效应。热电效应

热电势

接触电势+温差电势T0T1塞贝克效应示意图冷端（自由端）（参考端）热电极A/B热端（工作端）（测量端）热电流＋ABEAB(

T)接触电势结点产生热电势的微观解释接触电势（帕尔帖电势）它是在两种电子密度N不相等的均质导体(或半导休)相接触时形成的。扩散现象数量级在10-1～10-3V帕尔帖电势汤姆逊电势温差电势（汤姆逊电势）同一均质导体因两端温度不同而形成的电势。T

A

ΔTA

T0EA(T,T0)热电偶的热电势（赛贝克电势）或当热电偶材料确定后，总热电势与温度t和t0有关则测得热电势的大小，就可求得热端温度t的数值若冷端温度t0保持不变，则总热电势只与t有关热电偶测温系统几点说明：热电偶热电势量EAB(t，t0)是温度函数之差，不是温度差（t－t0）的函数。EAB(t，t0)＝－EBA(t，t0)＝－EAB(t0，t)热电势符号EAB(t，t0)中，改变符号A与B或t与t0的顺序，即改变热电势的方向。当冷端t0处将热电偶脱开时，热电极A将流出电流，故称A为正热电极，B为负热电极。这是判断热电偶正或负电极的方法。热端:电流从负极流向正极二、热电偶基本定律均质导体定律中间导体定律中间温度定律1、均质导体定律

由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路，不论导体(或半导体)的截面和长度如何，各处的温度分布如何，都不能产生热电势。材料内部电子密度处处相等的导体推论：

1）热电偶必须由两种不同性质的材料组成。

2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，说明该材料不纯，是不均匀的。据此，可以检查热电极材料的均匀性。2、中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。推论一：

在热电偶回路中接入第三种(或更多种)导体材料，只要接入的导体材料两端的温度相同，则对热电偶回路的热电势不产生影响。根据中间导体定律，当温度t=t0时，回路中总热电势为零。

为测量仪表接入热电偶A、B回路，组成热电偶测温系统来测量热电势提供了理论基础。开路热电偶的使用（金属壁面、液态金属）中间导体定律的应用一：推论二：

如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。即

EAB(t1,t2)=EAC(t1,t2)+ECB

(t1,t2)中间导体定律推论二简化了热电偶的选配工作。中间导体定律的应用二：

接点温度为t1和t2的热电偶，它的热电势等于接点温度分别为t1，t3和t3，t2的两支同性质热电偶的热电势的代数和。即

EAB(t1,t2)=EAB(t1,t3)+EAB

(t3,t2)3、中间温度定律已知热电偶在某一给定冷端温度（t0）下进行的分度，只要进行一些简单的计算，就可以在另外的冷端温度（t1）下使用。为制定热电偶的热电势－温度关系分度表奠定了理论基础。中间温度定律的应用一：比较查出的3个热电势，判断热电势与温度的关系是否为线性？热电偶的热电势E（t，t0）与温度t的关系——热电特性冷端t0为0℃时，将热电偶热电特性（E－t）制成的表——分度表实际测量时，冷端t0为往往为环境温度。如t0＝20℃时，测得EAB(t，20)，要求t＝？

根据中间温度定律有

EAB(t，0)＝EAB(t，20)＋EAB(20，0)解：查表得EK(25，0)＝1mV,则EK(t，0)＝EK(t，25)＋EK(25，0)＝18.537mV查分度表求得t=450.5℃。

如果用EK(t，25)＝17.537mV直接查表，则得t=427℃，显然误差是很大的。例：一支镍铬－镍硅热电偶，在冷端温度为室温25℃时，测得热电势EK(t，25)＝17.537mV，试求热电偶所测的实际温度t＝？

和热电偶具有相同热电性质的补偿导线可引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。

为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。中间温度定律的应用二：如：铂铑-铂热电偶补偿导线：铜-铜镍热电偶的补偿导线：

延伸型、补偿型两种结构与电缆一样。

延伸型补偿导线的材料与相应的热电偶相同，准确度略低。补偿型补偿导线材料与对应的热电偶不同，用贱金属制成，低温下它们的热电性质相同。注意：

补偿导线应该与热电偶配套使用；连接时极性不可接错:正极-红色（P）,负极-其它色（N）补偿型补偿导线，必须保证它与热电偶连接的两个接点温度一致。EAB(t，t0)＝EAB(t，t0’)＋EAB(t0’，t0)＝EAB(t，t0’)＋ECD(t0’，t0)补偿导线C、D与热电偶A、B配接，将热电偶的冷端由t0’移到t0处。

补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层三、常用热电偶的种类（1）在使用温度范围内，物理、化学性能稳定；（2）热电势和热电势率大，E－t是单值函数关系，最好呈线性关系；（3）电导率高，电阻温度系数小；（4）热电性能稳定，易复现，同类热电偶互换性好；（5）具有一定的机械强度；加工方便，价格便宜。热电极材料要求：1)定义：是指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入工业标准文件中的热电偶。2）特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用，十分方便。3）规定：国际电工委员会(IEC)在1975年推荐7种标准化热电偶，在1986年又推荐了一种。我国目前共采用八种标准热电偶。标准化热电偶：标准化热电偶：

（1）铂铑10-铂（S）；

（2）铂铑30-铂铑6（B）；（3）铂铑13-铂（R）；（4）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)（K）；（5）铜-铜镍(康铜)（T）；（6）镍铬-康铜（E）；（7）铁-康铜（J）；（8）镍铬-金铁热偶以及铜-金铁热偶。铂铑10-铂（S型）偶丝直径：0.5～0.020mm；适用范围：0～1100℃，1100～1600℃；适用于氧化性气氛中测温;长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度1600℃，不推荐在还原气氛中使用,短期内可用于真空中测温特点：复制性好、测量精度高；价格贵、热电势小偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.2mm；适用范围：－200～1300℃

；用于氧化和中性气氛中测温,不推荐在还原气氛中使用,可短期在还原气氛中使用,但必须外加密封保护管。特点：测温范围较宽、热电势较大、E－t线性度好、价格适中；但长期使用后，镍铝氧化变质使热电特性改变影响测量精确度。镍铬-镍硅（镍铝）（K型）偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.2、1.6、2.0、3.2mm；适用范围：－200～900℃；适用氧化或弱还原性气氛中测温特点：输出的热电势大,灵敏度高（常用热电偶中，每摄氏度对应的热电势最高），价格低廉，适合在0℃以下测温。镍铬－康铜（E型）

3种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？普通型热电偶铠装热电偶（套管热电偶）薄膜热电偶四、热电偶的构造及结构形式（1）普通型热电偶：1-热电极;2-绝缘管;3-保护套管;4-接线盒

普通装配型

热电偶的结构图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

热电极：直径：贵金属一般为0.3～0.65mm；贱金属一般为0.5～3.2mm。长度：一般为350～2000mm。a－点焊；b－对焊；c－绞状点焊绝缘管：防止两根热电极短路。

低温下：橡胶、塑料高温下：氧化铝、陶瓷等

a：无固定装置b：带加强管且无固定装置c：固定螺纹d：固定法兰e：活动法兰保护套管：防止热电极遭受化学和机械损伤.

f：高压用锥形固定螺纹g：高压焊接固定锥形h：900套管普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式接线盒内有接线端子，可供热电极和补偿导线连接之用。接线盒：

普通装配型

热电偶的外形安装螺纹安装法兰隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒（2）铠装热电偶（套管热电偶）：是由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合经拉伸加工而成的坚实组合体。特点：动态响应快，机械强度高，耐高压、耐冲击。适用于狭小管道内的温度测量。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米BA绝缘材料铠装型热电偶横截面（3）薄膜热电偶：

铁－镍薄膜热电偶1：热端接点；2：衬架；3：铁膜；4：镍膜；5：铁丝；6：镍丝；7：接头夹具

制作：用真空蒸镀等方法使两种热电极材料(金属)蒸镀到绝缘基板上，二者牢固地结合在一起，形成薄膜状热接点。特点：动态响应快，精确度高可以用来测变化极快的表面温度和点的温度；1.冰点法2.计算法(冷端温度校正法)3.补偿导线法4.仪表机械零点调整法5.补偿电桥法（冷端温度补偿器）五、热电偶的冷端温度补偿问题

特点：实现方便、测量准确；但只局限于实验室，不利于在线测量。1.冰点法

将热电偶冷端置于冰点恒温槽中,使冷端温度恒定在0℃时进行测温。

E(t，0)＝E(t，t0)＋E(t0，0)根据计算得到的热电势E(t，0)，通过查分度表可得被测温度值。

2.计算法(冷端温度校正法)例：用镍铬-镍铝热电偶(分度号K）测温，热电偶冷端温度t0=34℃，测得热电势为38.339mV。计算被测温度t。解：EK(t，0)＝EK(t，34)＋EK(34，0)＝38.339＋1.3666＝39.7056mV℃3.补偿导线法在一定范围内(0～100℃)，补偿导线具有和所连接的热电偶相同的热电性能。注意事项：补偿导线仅将热电偶冷端延长到温度相对恒定的地方，如果这地方温度不是0℃，尚须继续进行其冷端温度补偿。热电偶正、负极必须与补偿导线正、负极相接，不能错接；两者分度号必须—致。补偿导线应工作在100℃以下，否则其热电特性将不符合热电偶要求。指针被预调到室温（40C）可补偿冷端损失4.仪表机械零点调整法当输入信号为零时，指针所指的位置将仪表的机械零点调至热电偶冷端温度t0处现有二种方法产生指示温度：(1)将仪表机械零位调至30℃，然后通上热电势产生指示；(2)先通上热电势产生指示温度，然后读数温度加上30℃。试问哪种方法正确，相对误差为多少?例题：解：方法（1）产生的指示电势Es(t，0)＝Es(30，0)＋Es(1000，30)＝Es(1000，0)得t

＝1000℃，本方法正确。

方法（2）在未调机械零点时，产生的指示电势Es(t1，0)＝Es(1000，30)＝9.585-0.173=9.412mV,查S分度表t1＝984.9℃。最后指示结果t2＝t1+30=1014.9℃其相对误差为（t2－t）/t×100%=1.49％问：(1)如将EPX、ENX补偿导线都换成铜导线，

仪表指示为多少℃？(2)如将EPX、ENX补偿导线的位置对换，仪表的指示又为多少℃?例题：解：（1）

EE(t’，0)＝EE(800，50)＋EE(30，0)＝61.022-3.047+1.801＝59.776(mV)查E分度表得指示温度t’＝784.1℃。

（2）

EE(t”，0)＝

EE(800，50)－EE(50，30)＋EE(30，0)＝(61.022－3.047)－(3.047－1.801)＋1.801＝58.53(mV)反查E分度表得t”＝768.3

℃。由此可见，补偿导线接反时，仪表指示温度将偏低。

是采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势的变化值，从而等效地使冷端温度恒定的一种自动补偿法。5.补偿电桥法（冷端温度补偿器）

注意事项：使用时注意冷端温度补偿器型号和接线极性。型号必须与热电偶相同，输入正端接正热电极。输出至仪表的连接线用铜导线。使用冷端温度补偿器仍须调节好仪表的机械零点，应调整在电桥平衡时的设计温度(20℃)数值上。冷端补偿器工作温度范围通常不超过－5～50℃。例：有S分度热电偶测温系统如图所示。试问：（1）此动圈仪表的机械零位应调在多少度上？（2）当冷端补偿器的电源开路(失电)时，仪表指示为多少？（3）电源极性接反时，仪表指示又为多少?解：（1）补偿器产生补偿电动势Es(40，20)，要使

Es(1000，40)＋Es(40，20)＋Es(t

m，0)＝Es(1000，0)则t

m＝20℃。即仪表机械零位应调在补偿器设计平衡点温度20℃上。解：（2）当补偿器电源开路，冷端补偿器失去补偿作用时，指示电势

Es(t

1，0)＝Es(1000，40)＋Es(20，0)＝9.585－0.235＋0.133＝9.483(mV)由S分度表查得t

1＝991.1℃。解：（3）当补偿器电源接反，补偿器会反向补偿，故指示电势

Es(t

1，0)＝Es(1000,40)－Es(40,20)＋Es(20,0)＝(9.585-0.235)-(0.235-0.133)+0.133＝9.381(mV)由S分度表查得t

1＝982.3℃。课外作业－1

用分度号为K的热电偶和动圈式仪表组成测温回路，把动圈式仪表的机械零位调到20℃，但热电偶的参比端温度t0=55℃，试求出仪表示值为425℃时的被测温度。课外作业－2有K分度热电偶、补偿导线、冷端温度补偿器及动圈表测温系统如图所示，不计线路电阻，tn为仪表环境温度，分别试求：（1）为使仪表指示在1000℃，仪表机械零位tm应调整在多少℃？（2）若4V电源电压失去，仪表指示在多少℃？（3）若4V电源电压正、负极性接错，仪表指示在多少℃？

XMZ系列智能数字显示仪表

特点：

1、带冷端温度自动补偿；2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定；3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准；4、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；5、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。6、220VAC或24VDC供电电源。

1、意义：

热电偶经过一段时间的使用后，由于氧化、腐蚀、还原以及高温下再结晶等因素的影响会使的热电偶与原分度值的偏离越来越大，误差也随之加大。因此对热电偶需要进行定期校验，以确定其误差的大小。

热电偶的校验2、校验装置：3、校验方法：

把标准热电偶与被校验热电偶的测量端置于电炉中的恒温段中，参比端置于冰点槽中以保持0℃。用电位差计测量各热电偶的热电势，然后比较其结果，以确定被校验热电偶的误差范围或确定其热电特性。

4、注意事项：各种热电偶必须在规定的温度点（表2－10）进行校验，并要求各校验温度点±10℃范围内，在读取热电势过程中炉温变化不得超过0.2℃。每个校验温度点的读数不得少于4次。冰点槽内必须是均匀的纯净冰水混合物，保持0℃，热点偶冷端必须插入冰点槽的中部，且相互绝缘。

热电偶插入炉中的深度一般为300mm，不得少于150mm。被校热电偶若是铂铑－铂材料，校验前要进行退火和清洗处理；若是贱金属材料，应将标准热电偶用封头细套管加以保护，以免被污染。同时被校的热电偶可以多支，读数顺序是标准热电偶→1号被校热电偶→2号→…→N号；再从N号热电偶反序读数→标准热电偶。如此正反顺序读取数据，然后进行数据整理和误差分析。第3节

热电阻温度计

ResistanceThermometer

常用热电阻种类热电阻的结构半导体热敏电阻热电阻测温原理一、热电阻测温原理及特点

用热电偶测量500℃以下温度时，热电势小，测量精度低；且使用中经常需要进行冷端温度补偿。故工业上在测低温时通常采用热电阻温度计，其测温范围为－200～500℃。

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。

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。优点：1）输出信号大、测温精度高；2）电阻信号便于远传；3）无需冷端补偿；4）可以实现多点切换测量。1、热电阻测温特点

缺点：1）感温部分体积大，热惯性大；2）不能测取某一点的温度，只能测量一个区域的平均温度；3）在使用时需要外供电源；4）连接导线电阻易受环境温度影响而产生测量误差。热电阻温度计的组成：热电阻（电阻体、绝缘管和保护套管）连接导线显示仪表2、热电阻测温原理测温原理金属导体或半导体:

电阻值R=f(温度t)电阻温度系数（α）

——温度变化1℃时，导体电阻值的相对变化量，单位为1/℃。

α↑→灵敏度↑。金属导体:t↑→Rt↑，∴α为正值；而半导体:t↑→Rt↓，∴α为负值。金属纯度↑→α↑。有些合金材料，如锰铜α→0。常用热电阻材料的电阻与温度关系

根据感温元件的材质可分为金属导体和半导体两大类。金属热电阻目前大量使用的有铂、铜和镍三种。按准确度等级可分为标准电阻温度计和工业电阻温度计。

二、常用热电阻种类热电阻材料要求：（1）物理及化学性质稳定；（2）电阻温度系数大；（3）电阻率大；（4）电阻值与温度近似为线性关系；（5）复现性好；（6）价格便宜。

特点：稳定性好、精确度高、性能可靠。ITS－90规定以铂电阻温度计作为13.8033K～961.78℃温域的标准内插仪器（1）铂热电阻（Pt）铂的电阻值与温度的关系在－200～0℃范围内：在0～850℃范围内：

铂电阻的纯度通常用R100/R0表示。铂电阻的分度号:Pt10、Pt100、Pt50Pt10—表示铂电阻在0℃时的电阻值为R0＝10Ω

学习查“铂热电阻分度表”铂热电阻分度表

铜电阻与温度的关系在－50～＋150℃范围内：在0～100℃范围内，电阻温度关系是线性的：

Rt=R0(1+αt)

式中，α＝(4.25~4.28)×10－3/℃,（2）铜热电阻（Cu）优点：R-t关系近似线性；α较大；材料易提纯；价格便宜，互换性好。缺点：电阻率较小，为保持一定阻值需要细而长的铜丝，使体积↑热惯性↑；测温上限低，因为铜在100℃以上易氧化且抗腐蚀性差。铜电阻的分度号Cu50和Cu100

特点：电阻温度系数大，灵敏度高。测温范围是－60～＋180℃，主要用于较低温域。镍电阻的分度号有Ni100、Ni300和Ni500（3）镍热电阻（Ni）热电阻的主要技术性能

例：用分度号Cu100的铜电阻温度计测得发电机冷却水温度为56℃，但检定时确知铜热电阻的R0＝100.8Ω，电阻温度系数α’＝4.29×10-3/℃，试求冷却水的实际温度。解：测温时显示仪表按R0=100Ω,

α＝4.28×10-3/℃分度的，

Rt=R0(1+αt)，故100×(1十0.00428×56)=100.8×(1十0.00429×t)由此求得冷却水实际温度t=53.6℃。三、热电阻的结构

（1）普通热电阻

（2）铠装热电阻

薄膜型及普通型铂热电阻小型铂热电阻防爆型铂热电阻汽车用水温传感器及水温表铜热电阻铂电阻温度显示、变送器☆热电阻的接线方法：引出线—由热电阻体至接线端子的连接导线平衡状态下：IA×RA-IB×RB＝0It×Rt-ID×RD＝0∵IA＝IB＝It＝ID∴电桥安装在仪表室内的，而热电阻Rt安装在被测对象中，距仪表室有一定的距离，由于两根导线电阻Ra及Rb在一个桥臂内，铜导线电阻受温度影响较大，在热电阻没有任何变化时，导线电阻变化会使得平衡电阻RD相应移动，标尺上的读数改变。移动滑线电阻RD，检流计指针指零，表示电桥平衡由于RA／RB一定，故移动RD的电阻值不断平衡，可通过RD电阻刻度或温度刻度读取温度变化。二线制连接法（惠斯登电桥）平衡状态下，考虑Ra、

Rc和RbRt+Rc＝（RA+Ra）RD/RB注意：平衡时Ib＝0导线电阻Ra及Rb分别在相邻桥臂RA及RD中，另一导线电阻接到导线的输出端。如果RA＝RD，则环境温度变化及电阻自身发热引起导线电阻Ra及Rb的变化基本相等，对电桥平衡影响极小。三线制连接法（卡仑达尔电桥）（1）两线制存在引出线电阻随温度变化产生的附加误差；（2）三线制可以消除引出线电阻的影响；工业上多采用。（3）四线制不仅可消除引出线电阻的影响，还可消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响。多用于标准铂热电阻的引出线上。热电阻在使用中的注意事项：为减小环境温度对线路电阻的影响，工业上常采用三线制连接，也可以采用四线制连接。热电阻引入显示仪表的线路电阻必须符合规定值，否则将产生系统误差。热电阻工作电流应小于规定值，否则因过大电流造成自热效应，产生附加误差。热电阻分度号必须与显示仪表调校时分度号相向。四、半导体热敏电阻

（SemiconductorHeat-sensitiveResistance）

工作原理：是利用半导体材料的电阻随温度显著变化这一特性制成的感温元件。由某些金属氧化物按一定的配方比例压制烧结而成。负温度系数(NTC)热敏电阻（阻值随温度升高而显著减少）采用MnO2、Mn(NO3)4、CuO、Cu(NO3)2等化合物制造；正温度系数(PTC)热敏电阻采用NiO2、ZrO2等化合物制造；临界温度(CTR)热敏电阻当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少。热敏热电阻温度特性电阻与温度的关系（非线性的）：

T为热力学温度；e＝2.71828；A、B为常数。在温度T0时的电阻值为两式整理得:[例]已知某半导体热敏电阻在20℃时的阻值为100Ω，其电阻与温度斜率为dR/dt=－5.0Ω/K。试求：该热敏电阻在50℃时的阻值。[提示]利用公式[解]

代入已知数据，即可求得A和B的值A=0.000043092(Ω);B=4296.8(K)再利用公式求得，RT在50℃(即50＋273.15K)时的阻值为25.64Ω。优点：1）电阻温度系数大，灵敏度高；2）电阻率很大，体积可做的很小，热惯性小，响应快,可用来测量点的温度。

3）电阻值很大，连接导线电阻变化的影响可忽略；缺点：

1）同一型号的热敏电阻的电阻温度特性分散性很大，互换性差；2）电阻温度关系不稳定，随时间而变,需及时标定。半导体热敏电阻的结构图：

a：珠形热敏电阻；b：涂敷玻璃的热敏电阻1：电阻（金属氧化物烧结体）；2：引出线（铂丝）；3：玻璃；4：杜美丝c:带玻璃保护套管的热敏电阻1：金属氧化物烧结体；2：铂丝；5：玻璃管热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔

热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻其他形式的热敏电阻

带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）非标热敏电阻非标热敏电阻（续）

非标热敏电阻（续）

热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD热敏电阻体温表

热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）热敏电阻用于电热水器的温度控制

热工测量及仪表

主讲教师：朱红霞Email：zhxia@第4节

非接触式测温方法和仪表辐射测温基本原理

单色辐射高温计

比色高温计全辐射高温计概述非接触式测温方法：利用物体辐射能随温度变化的性质，通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量。用这种方法测温时，感受件不需与被测介质相接触。非接触式测温方法的优点：

1）感受件不需与被测介质相接触，仪表不会破坏被测介质的温度场；2）从理论上讲仪表的测温上限不受限制，可达2000℃以上；

3）测温过程中，仪表的滞后小，动态性能好，反应快；4）输出信号大、灵敏度和准确度高。

通常用来测量高于700℃的温度。辐射式测温仪表分类：

普朗克定律

→光学、光电、比色高温计和红外测温仪

全辐射定律

→全辐射高温计辐射测温过程：热辐射源（被测介质）→

传输通道（空气、真空、光纤）→热辐射接收和处理装置一、辐射测温基本原理热辐射：任何物体的温度高于绝对零度（0K）时就有能量释出，其中以热能方式向外发射的那一部分电磁波称为热辐射。

全辐射体热辐射与温度的关系

（1）普朗克定律：全辐射体（黑体）的光谱辐射出射度M0λ与其波长λ和温度T的关系：一种在任何温度下对投射到其上的任何波长的热辐射均能全部吸收的物体单位表面积、单位时间内所辐射的能量普朗克函数曲线图：

当T<3000K

时，可用维恩公式代替，误差在1%以内。

维恩公式：

——单色辐射（光学、光电）高温计的理论依据

（2）全辐射体辐射定律（斯忒藩－波尔兹曼定律）——全色辐射高温计的理论依据波长λ从0～∞之间的全部光谱辐射出射度的总和M0实际物体的热辐射特性

（同一T、λ下）（2）