第2章温度测量-王威立

第二章

温度检测为什么要进行温度测量？对温度进行准确测量和有效控制已成为人们在科学研究和生产实践中所面临的重要课题之一。温度建立以及测量基础----热平衡。当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度，这就是温度最基本的性质。主要内容温标的概念。按测量方法分类，介绍接触式测温方法，包括热电阻温度传感器和热电偶温度传感器。在测温新技术方面重点学习集成温度传感器（模拟）和单总线数字温度传感器（D20S18B）的工作原理。2.1温标及测温方法温度标尺又简称为温标，是用来衡量温度高低的标准尺度。经验温标1.摄氏温标：标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为℃。２.华氏温标：标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为℉。经验温标的局限性：经验温标是借助于一些物质的物理量与温度之间的关系，用实验方法得到的经验公式来确定温度值的标尺，因此它具有局限性和任意性。热力学温标定义的理论基础：1848年物理学家开尔文(Kelvin)首先提出将温度数值与理想热机的效率相联系，即根据热力学第二定律来定义温度的数值，这样就可以与任何特定物质的性质无关了。热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。国际温标建立在热力学第二定律基础上的热力学温标是一种科学的温标，通常可用定容气体温度计来实现热力学温标。具有2个基本特点：①复现精度高并能确保量值的统一；②用以复现的标准温度计使用方便，性能稳定。

t=T-273.15常用测温方法及特点2.2电阻式温度传感器电阻式温度传感器利用随温度而变化的电阻值来进行测温的；具有测量范围宽、精度高、稳定性好等优点。(1)热电阻对材料的要求

①电阻相对温度系数a值要大

a值的定义是温度从0℃变化到100℃时，电阻值的相对变化率。

a值的大小表示了热电阻的灵敏度②电阻率β要大

β值表示在单位体积时的电阻值。

β=dR/dV

对于一定的电阻值来说，β值越大则表明热电阻的体积越小，则热容量小，动态特性就好。金属电阻与温度的关系

(3)金属热电阻

①铂热电阻铂热电阻精度高、线性好、测温范围宽，稳定性和复现性好，但价格高。在高温时适于在氧化气氛中使用，在真空和还原气氛中使用将导致电阻值漂移。铂热电阻的参考函数在0℃上、下温区各不相同，但参考函数的系数相同，其数学模型为：当-200～0℃Rt=R0(1+At+Bt2) 当0～850℃Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］ 式中A=3.9083×10-3(1/℃)，B=-5.802×10-7(1/℃2),C=-4.273×10-12(1/℃3)。②铜热电阻铜热电阻线性好，价格低，但电阻率低，因而体积大，热响应慢。铜热电阻的数学模型为：

Rt=R0(1+At+Bt２+Ct３) 式中A=4.28899×10-3(1/℃)，

B=-2.133×10-7(1/℃2)，

C=1.233×10-9(1/℃3)。(3)热电阻的结构二线制三线制四线制四线制连接热电阻和电位差计的测量方法是比较完善的方法，它不受任何条件的约束，总能够消除连接导线电阻的影响。但恒流源要求稳定。半导体热敏电阻传感器

热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。热敏电阻有正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTR)三种。负温度系数热敏电阻的阻值与温度的关系近似表示为负温度系数热敏电阻的a值为：

与金属热电阻相比，半导体热敏电阻具有如下优点：（1）具有较大的负电阻温度系数，约为－(3~6)%，因此灵敏度比较高；（2）半导体材料的电阻率远比金属材料大得多，因此它的体积可做得非常小，同时热惯性就小并适合用于测量点温度与动态温度；（3）电阻值很大，故连接导线的电阻变化的影响可以忽略；（4）结构简单。

它的缺点是同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差，精度较低，测温范围较窄，目前只能达到-50～300℃。

热敏电阻的应用:1、温度测量

2、温度补偿

3、温度控制

4、过热保护温度测量金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差温度补偿

用热敏电阻与一个继电器的绕组串联，并加上恒定的电压，当周围介质温度升到某一数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安。因此，当温度升高到一定数值时，继电器动作（继而指示灯亮、蜂鸣器响、断电等），继电器的动作反应温度的大小，所以热敏电阻可以做温度控制。温度控制热电偶传感器热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。热电偶的测温原理

两种不同的导体（或半导体）A和B组成闭合回路，如下图所示。当A和B相接的两个接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势，用符号EAB（T，T0）表示。BATT0参考端冷端工作端热端

图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端，温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。BATT0参考端冷端工作端热端

接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下式表示

式中e——单位电荷，4.802X10-10静电单位；

K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；

NA(T)、NB(T)——材料A、B在温度为T时自由电子密度

T——A、B接触点的温度，K。从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。1．接触电势2．温差电势根据物理学电磁场理论，温差电势可表示为

式中符号同前式。3．热电偶闭合回路的总热电势

对于由A和B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为T和T0，且T>T0，NA>NB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为

根据电磁场理论，可得当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度T和T0的函数差。即如果使冷端温度T0固定,则对一定材料的热电偶，其总电势就只与温度T成单值函数关系，即

实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。分度表是在参考端温度为0℃时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。由此可得有关热电偶的几个结论

(1)热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电势为零。(2)尽管采用两种不同的金属，若热电偶两接点温度相等，即T=T0，回路总电势为零。

(3)热电势只与结点温度有关，与中间各处温度无关。

3.热电偶的基本定律(1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电动势不变。如图所示，可得回路总的热电动势：

EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。(2)中间温度定律在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为TO，中间温度为ＴO′，如右图所示。则T，TO热电势等于T，TO′与TO′，TO热电势的代数和。即：EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO)运用该定律可求出冷端为任意温度下热电偶的热电动势；也可用于消除热电偶参考端温度变化影响。

(3)标准电极定律（也称组成定律）如右图所示。已知热电极A、B与标准电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算：EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。例2.1当T为100℃，T0为0℃时，铬合金—铂热电偶E(100℃，0℃)=+3.13mV，铝合金—铂热电偶的E(100℃，0℃)=-1.02mV，求铬合金—铝合金组成热电偶的热电势E(100℃，0℃)。解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为C。即：EAC(100℃，0℃)=+3.13mVEBC(100℃，0℃)=-1.02mV则：EAB(100℃,0℃)=EAC–EBC=+4.15mV热电偶的材料

虽然任意两种导体或半导体材料都可以配对制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求却是多方面的。（1）两种材料所组成的热电偶应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势和温度之间尽可能呈线性的函数关系。（2）能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能。（3）要求热电偶材料有高导电率和低电阻温度系数。（4）具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，价格便宜。

(3)标准化热电偶按照工业标准化的要求，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种。所谓标准化热电偶是指工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互换，精度有一定的保证，并有配套的显示、记录仪表可供选用，为应用提供了方便。(4)非标准化热电偶非标准化的热电偶发展很快，主要目的是进一步扩展高温和低温的测量范围。由于对这一类热电偶的研究还不够成熟，虽然已有产品，也能够使用，但还没有统一的分度表，使用前需个别标定，以确定热电势和温度之间的关系。热电偶的结构典型结构有普通和铠装两种。①普通型结构它一般由热电极、绝缘套管、外保护套管和接线盒组成1—测量端；2—热电极；3—绝缘套管；4—保护管；5—接线盒

②铠装结构铠装热电偶的测温元件将热电偶丝、绝缘材料(氧化镁粉等)和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。柔性安装型铠装热电偶结构示意图热电偶的冷端处理与补偿热电势的大小与热端温度有关，也与冷端温度有关，只有当冷端温度固定不变，才能通过热电势的大小去判断热端温度的高低。当冷端温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，然后再考虑将冷端处理为0℃，这称为热电偶的冷端处理和补偿。①补偿导线法在100℃(或200℃)以下的常温范围内，补偿导线具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的特性。用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。热电偶技术补偿导线有两方面的优点：其一是改善了热电偶测温线路的物理性能和机械性能。其二是降低了线路的成本。

国际电工委员会也制定了补偿导线国际标准，适合于标准化热电偶使用须注意的问题：1.补偿导线连接端的工作温度不能超出（0-100℃），否则会给测量带来误差。2.各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。3.由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此两连接点温度必须相同。4.连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极一一对应。5.在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值以保证测量精度。②计算法在实际的应用中，热电偶的参比端往往不是0℃，而是环境温度t1，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度t1与冰点t0之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。根据连接导体和中间温度定则有：

E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0)

可用室温计测出环境温度t1