第4章 温度量传感器及应用

第4章温度量传感器及应用知识目标通过本课题的学习，了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；掌握热电偶基本定律及相关计算；了解温度测量器件的结构、工作原理、特性。技能目标通过本课题的学习，掌握不同类型温度传感器的特点及应用场合；掌握集成温度传感器使用方法；正确熟练查找热电偶分度表；能根据标准电极定律掌握热电极的测定、选配方法；能正确选择热电偶补偿导线，熟悉热电偶冷端补偿方法。4.1温度测量基本知识4.1.1温度的基本概念4.1.2温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。1.

热力学温标1848年威廉·汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，它是国际基本单位制之一。2.摄氏温标摄氏温标是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，℃)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：T=t+273.15K（4-1）3.

华氏温标华氏温标目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，单位符号是℉。4.1.3温度传感器的分类及发展方向温度传感器分类方法比较多，按是否与被测对象接触可分为接触式和非接触式温度传感器；按不同工作原理可分为体积膨胀式、电阻式、热电式等；按测温范围不同分为低温传感器、中温用传感器和高温传感器；按输特性不同分为线性型、开关型等。温度传感器的主要发展方向：（1）超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以下的温度传感器。（2）提高温度传感器的精度和可靠性。（3）研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。（4）发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。（5）发展适应特殊测温要求的温度传感器。（6）发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。4.2电阻式温度传感器4.2.1热电阻传感器1.热电阻传感器基本工作原理热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小，这就是热电阻测温的基本工作原理。2.常用热电阻及特性⑴铂电阻铂电阻是目前公认的制造热电阻的最好材料，它性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。缺点是电阻温度系数小，价格较高。铂电阻主要用于制成标准电阻温度计，其测量范围一般为-200～+850℃。⑵

铜电阻铜电阻的特点是价格便宜（而铂是贵重金属），纯度高，重复性好，电阻温度系数大，α=（4.25～4.28）×10-3/℃（铂的电阻温度系数在0～100℃之间的平均值为3.9×10-3/℃）,其测温范围为-50～+150℃，当温度再高时，裸铜就氧化了。在上述测温范围内，铜的电阻值与温度呈线形关系，可表示为

Rt=R0（1+ɑt）⑶其他热电阻除了铂和铜热电阻外，还有镍和铁材料的热电阻。镍和铁的电阻温度系数大，电阻率高，可用于制成体积大、灵敏度高的热电阻。但由于容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，重复性和线性度差，目前应用还不多.3.热电阻的测量电路热电阻三线制接法测量桥路热电阻测温电路的四线制接法4.热电阻的应用①温度测量②流量测量4.2.2热敏电阻和集成温度传感器1.热敏电阻结构大部分半导体热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。如图4-7所示。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温下的使用。2.热敏电阻的热电特性3.热敏电阻应用实例⑴温度控制⑵晶体管的温度补偿⑶电动机的过载保护控制4.集成温度传感器

⑴AD590系列集成温度传感器⑵AD22100集成温度传感器4.3热电式温度传感器4.3.1热电偶工作原理1.工作原理(1)

热电效应将两种不同成分的导体组成一闭合回路，如图4-17所示。当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将会产生电动势，这种现象称为“热电效应”。热电效应于1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。热电势由两部分组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。(2)

接触电势图4-17热电偶回路原理图4-18热电动势示意图(3)

温差电动势(4)

热电偶的电势-—结论（1）如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度如何，总电势为零；（2）如果两接点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为零；（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。（4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动势便成为热端温度Ｔ的单一函数。用实验方法求取这个函数关系。2.热电偶的基本定律(1)

均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何,都不能产生热电势。该定律说明：（1）热电偶必须采用两种不用材料的导体组成；（2）热电偶必须由均质材料构成，如果热电偶的热电极是非均质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。因此该定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。(2)

中间导体定律在热电偶中接入第三种均质导体，只要第三种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变。=推论：在热电偶中接入第四、五种导体，只要保证插入导体的两结点温度相同，且是均质导体，则热电偶的热电势仍不变。(3)

标准电极定律如图4-20所示，已知热电极A、B分别与标准电极C组成热电偶在接点温度为（T，T0）时的热电动势分别为EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势为EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)【例4-1】已知铂铑30-铂热电偶的EAC（1084.5,0）=13.937(mV)，铂铑6-铂热电偶的EBC（1084.5,0）=8.354(mV)。求铂铑30-铂铑6在相同温度条件下的热电动势。解：由标准电极定律可知，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)

中间温度定律热电偶在两结点温度分别为T

、T0时的热电势等于该热电偶在结点温度为T、Tn和Tn、T0相应热电势的代数和；即【例4-2】镍铬—镍硅热电偶，工作时其自由端温度为30℃,测得热电势为39.17mV,求被测介质的实际温度。解：由t0=0℃,查镍铬—镍硅热电偶分度表，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℃，即被测介质的实际温度4.3.2热电偶的结构形式及材料1.热电偶的基本结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。(1)

普通型热电偶(2)

铠装热电偶

(3)

薄膜热电偶

2.热电偶材料(1)

对热电极材料的一般要求①配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势对温度尽可能有良好的线性关系；②能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化；③电阻温度系数小，电导率高；④易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。(2)

电极材料的分类①一般金属如镍铬—镍硅，铜—镍铜，镍铬—镍铝，镍铬—考铜等。②贵金属这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹—铂、铱铑—铱等。③难熔金属这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组成，如钨铼—钨铼、铂铑—铂铑等热电偶。(3)

绝缘材料热电偶测温时，除测量端以外，热电极之间和连接导线之间均要求有良好的电绝缘，否则会有热电势损耗而产生测量误差，甚至无法测量。①有机绝缘材料这类材料具有良好的电气性能，物理及化学性能和工艺性，但耐高温、高频和稳定性较差。②无机绝缘材料有较好的耐热性，常制成圆形或椭圆形的绝缘管，有单孔、双孔、四孔及其它特殊规格。(4)

保护管材料对保护材料的要求是：①气密性好，可有效地防止有害介质深入而腐蚀结点和热电极；②应有足够地强度及刚度，耐振、耐热冲击；③物理化学性能稳定，在长时间工作中不至于介质、绝缘材料和热电极互相作用，也不产生对热电极有害的气体；④导热性能好，使结点与被测介质有良好的热接触。3.常用热电偶(1)

标准型热电偶(2)

非标准型热电偶①铱和铱合金热电偶如铱50铑—铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100℃的高温，且热电动势与温度关系线性好。②钨铼热电偶60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在300～2000℃，分度精度为1％。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。③金铁—镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。④钯—铂铱15热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂铑10—铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。4.3.3热电偶冷端延长1.补偿导线的概念补偿导线（A′,B′）是两种不同材料的、相对比较便宜的金属（多为铜与铜的合金）导体。它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内[如：（0～100）℃]与所配接的热电偶具有相同的温度—热电动势关系，即：2.常用补偿导线4.3.4热电偶实用测温线路和温度补偿1.热电偶实用测温线路合理安排热电偶测温线路，对提高测温精度和维修等方面都有十分重要的意义。(1)

测量某点温度的基本电路基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。如图4-26所示是一支热电偶配一台仪表的测量线路。(2)

测量温度之和—热电偶串联测量线路

(3)

测量平均温度—热电偶并联测量线路

(4)

测量两点之间的温度差

2.热电偶的温度补偿(1)

冷端恒温法①0℃恒温法在实验室及精密测量中,通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端温度保持0℃,这种方法又称冰浴法。②其它恒温法将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持恒定温度，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温，也可以是电加热的恒温器，这类恒温器的温度不为0℃，故最后还需对热电偶进行冷端修正。(2)

计算修正法例4-3】用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mV所以：E(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV查分度表知其对应的实际温度为T=88℃。即池水的真实温度是88℃。(3)

电桥补偿法(4)

仪表机械零点调整法仪表机械零点调整法是当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈式仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的温度T0处，这相当于在输入热电偶的热电动势之前就给仪表输入一个热电动势E（T0，0℃）。这样，仪表在使用时所指示的值约为

E（T0，0℃）+E(T,T0)(5)

软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。4.3.5热电偶传感器应用实例1.热电偶测量炉温系统2.工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析

（1）安装不当引入的误差（2）绝缘变差而引入的误差（3）热惰性引入的误差（4）热阻误差本章小结温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量，它是国际单位制中七个基本单位之一。从能量角度看，温度是描述