（机械电子工程专业论文）虚拟式多通道温度测试仪的设计与研发.pdf

中文摘要 摘要 温度测试在工农业生产和科研工作中占有重要地位，温度测试仪器的功能和性 能对于温度测试结果有着很大影响，因此开发高性能的温度测试仪是十分必要的。 本文首先概述了常用的温度测试技术和温度测试仪器的发展与现状，指出了当前 硬件化温度测试仪器的特点和局限性；然后以热电阻测温仪和热电偶测温仪为代 表分析了最具代表性的温度测试与仪器的原理，其中包括它们的测温机理、物理 结构和注意事项：接着介绍了一种先进的仪器制造技术虚拟仪器技术以及在 此基础上形成的虚拟仪器，对虚拟仪器的产生、特点、系统结构做了较详细的介 绍并和传统硬件化仪器做了对比，突出了虚拟仪器的优越性；最后把虚拟仪器和 温度测试技术相结合，形成了本文着重介绍的虚拟式多通道温度测试仪。 在本文中，作者详细介绍了虚拟式多通道温度测试仪系统的逻辑结构和软硬件 设计，运用面向对象( o o p ) 的软件设计方法，通过中心控制模块、变送器标定 模块、测温通道和测温范围设置模块、数据采集与处理模块、数据分析模块、数 据显示模块、数据回放模块、打印输出模块和其他辅助功能模块的设计，实现了 对温度信号进行采集、处理、分析和显示的功能很强的虚拟测温仪器。系统的实 测实验表明本虚拟测温仪测温灵活，测温范围宽，选择合适的传感器，可实现 0 - 1 0 0 0 范围内测温，测温精度较高，既能实现在线分析又能实现离线处理。所 有这些展示了虚拟仪器强大的生命力和温度测试的新方法。文章最后从温度场测 试和分布式网络化测试两个方面讨论了本测温仪器的进一步发展方向。 本文介绍的虚拟式多通道温度测试仪是在秦树入教授倡导的“虚拟仪器国产 化”影响下的一次成功尝试。 关键词：温度，多通道，传感器，软件，虚拟仪器 英文摘要 a b s t r a c t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp r e d o m i n a t e s a l li m p o r t a n tp o s i t i o ni n a g r i c u l t u r e , i n d u s t r ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h a n di ti sv e r yp i v o t a lf o rt e m p e r a t u r em e a s u l e m e n tt h a t t h ei n s t r u m e n tf o rt e m p e r a t u r em e a s u f e m e n th a sa l lo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e s oi ti s v e r yn e c e s s a r yt oe x p l o i tah i 曲一p o w e r e di n s t r u m e n tf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i n t h i sp a p e rt h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u si nq u oa b o u tt e m p e r a t u r em e a s u r i n gt e c b n o l o 百e s a n di n s t r u m e n t sf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r ef i s t s u m m a r i z e d ，a n d t h e c h a r a c t e r i s t i e sa n dl o c a l i z a t i o n so ft h ec u r r e n th a r d w a r e - b a s e di n s t r u m e n tf o r t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r ea l s op o i n t e do u t ；a n dt h e nw et a k et h et h e r m o c o u p l ea n d t h e r m o - r e s i s t a n c ei n s t r u m e n tf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta st h ee x a m p l et oa n a l y z e t h em o s tr e p r e s e n t a t i v et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dt h ep r i n c i p l eo fi n s t r u m e n t ， i n c l u d i n gt h et e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e c h a n i s m , p h y s i c a ls t r u c t u r ea n dn o t i c e s ；a n a d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo f i n s t r u m e n t - - - v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dt h e v i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do l lw h i c ha r ei n t r o d u c e di ns u c c e s s i o n t h i sp a p e ra l s on a r r a t e s a tl e n g t ht h eo r i g i n , c h a r a c t e r i s t i c sa n ds y s t e ms t r u c t u r e t h ev i r t u a li n s t r u m e n ta n d h a r d w a r e - b a s e di n s t r u m e n ta r ec o n t r a s t e d ，w h i c hs t a n d so u tt h es u p e r i o r i t yo fv i r t u a l i n s t r u m e n t ；f i n a l l yw ec o m b i n ev i r t u a li n s t r u m e n ta n dt h et e c h n o l o g yo ft e m p e r a t u r e m e a s u r e r n e n t ，w h i c h c o m e si n t o b e i n gt h e v i r t u a lm u l t i c h a n n e li n s t r u m e n tf o r t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td e b a t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r i nt h ep a p e rw ea m p l yi n t r o d u c et h ei o 西e a ls t r u c t u r ea n dd e s i g no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h ev i r t u a lm u l t i c h a n n e li n s t r u m e n ts y s t e mf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e t l 2 e n t a p p l y i n g t h e o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ( o o p ) m e t h o d ，c e n t e r c o n t r o l m o d u l e ，t r a n s m i t t e rd e m a r c a t i n gm o d u l e , c h a n n e l sa n ds c o p e sm o d u l e ，d a t ac o l l e c t i o n a n dp r o c e s sm o d u l e ，d a t aa n a l y z em o d u l e ，d a t ad i s p l a ym o d u l e ，d a t ar e d i s p l a ym o d u l e ， p r i n tm o d u l ea n dt h eo t h e ra u x i l i a r yf u n c t i o n sa l ed e s i g n e d ，w h i c hr e a l i z et h ec o l l e c t i o n ， p r o c e s s ，a n a l y z ea n dd i s p l a yo ft h ep o w e r f u lv i r t u a li n s t r u m e n t t h ee x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ev i r t u a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n th a saw i l es c o p ea n df l e x i b l e t e m p e r a t u r em e a s u r i n gm o d e i fu s e r sc h o o s e t h er i g h ts e n s o r s ，m e yc a ng e tt h e t e m p e r a t u r ef r o m0t o1 0 0 0 ，a n dt h ep r e c i s i o ni sr a t h e rh i 曲i tc a r ln o to n l ya n a l y z e t h ed a t ao n l i n eb u ta l s op r o c e s st h e mo f f i i n e , w h i c ha l ls h o w st h ep o w e r f u ll i f ef o r c eo f v i r t u a li n s t r u m e n ta n dt h en e wm e t h o do ft e m p e r a t u r em e a s u r i n g t h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to ft h em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tf o rt e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r i n ga n d r i 重庆大学硕士学位论文 d i s t r i b u t i n gn e t w o r km e a s u r i n gi sf i n a l l yd i s c u s s e d p r o s h u r e nq i na d v o c a t e st h a tv i r t u a li n s t r u m e n ts h o u l db em a d ei no u rc o u n t l y ， w h i c hi n d u c e sm et o a t t e m p t t o d e v e l o p av i r t u a lm u l t i c h a n n e lm s t r u m e n tf o r t e m p e r a t u r em e a s l 】i m e n t a n di ti sc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l yi nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r e ，m u l t i - c h a n n e l ，s e n s o r s ，s o f t w a r e ，v i r t u a lh l s 七啊= n 豇1 t i v 1 概述 1 概述 当今信息时代，各种高新技术层出不穷，给整个社会各行各业不断注入新的 生机和活力。二十世纪八十年代，基于计算机技术和测试技术的发展，在测试仪 器领域产生了一种新的，具有深远意义仪器虚拟仪器【1 ，并在此基础上形成了 虚拟仪器技术。虚拟仪器的出现在整个测试仪器领域掀起了一场新的革命，它以 其独特的性能正逐步替代传统的测试仪器【2 j 。 温度是一个普通而又十分重要的物理量，温度测试被广泛应用在工农业生产 和科学研究当中。因此研究开发基于虚拟仪器技术的虚拟式温度测试仪具有重要 意义。 1 1 温度与温标嘲州”1 温度是国际单位制中七个基本物理量之一。人们的生产，生活和科研工作都 和它密切相关。科学家对温度做了一个严格、科学的定义：温度是度量物体热平 衡状态下冷热程度的物理量，它体现了物体内部微粒运动状态的特征。温度是强 度量，代表着物质内在性质，这就增加了人们对温度的理解和准确测量的难度。 早期人们以直感出发，凭感觉到的或接触到的冷热程度来区别对温度的高低。用 这种简单方法去认识温度，难以得出正确结论。随着热力学和统计物理的兴起， 人们对温度的理解由定性发展到定量，借助于测试手段和理论计算来揭示它的本 质。 早在】8 6 0 年，麦克斯韦( m a x w e l l ) 从理论上得出在平衡状态下物体的热力 学温度和物体内部理想气体分子平均动能的关系： t 一旦 3 k 其中t 为热力学温度，i i l 为气体分子质量，k 为波尔兹曼常数，；为气体分子 速率的平均值。 1 8 世纪温度的使用单位比较混乱，曾出现用“摄氏度”，“华氏度”，“列氏度” 等作为温度单位。为了统一温度量值，国际计量委员会为此召开多次大会，最终 在1 9 6 8 年第十三界国际计量大会上规定：热力学温度( 符号为t ) 是基本单位， 其单位为开尔文( 符号为k ) ，定义为水三相点( 单组分系( 一种纯物质) 中有固相， 液相和气相在平衡共存时的温度和压强称为三相点) 热力学温度的1 2 7 3 1 6 。由于 历史原因，允许继续使用摄氏度作为温度单位，其符号仍为。用这种方法表示 的热力学温度称为摄氏温度( 符号为t ) ，定义为 仁t - 2 7 3 1 5 k( 】2 ) 重庆大学硕士学位论文 根据定义，它的大小等于开尔文，温度差可以用开尔文表示，也可用摄氏度 表示。 有了温度单位定义，并没解决温度测量方法。为了定量地描述温度，必须具 有能衡量温度高低的方法。通常将能用来表示温度数值的方法称为温标。 自然界中许多物质的物理属性与温度有关，如导体的电阻，灼热物体的颜色 和辐射能量都与其本身温度密切相关。运用这些物质，便能制成测温工具，即温 度测试仪。为了用它来表示温度的高低，于是结合选用的温度测试仪，以实验方 法或经验公式构成了温标。这种温标称为经验温标。经验温标依赖于选用的测温 介质，并人为地选用某些自然现象作为固定点的温度值，局限性较大，测温范围 有限，缺乏合理的单位，量值与温度仪材料有关。 1 8 4 8 年开尔文以热力学第二定律为基础引出了与测温物质无关的热力学温 标。1 9 5 4 年第1 0 届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温标的基本固定 点，此温标的表达式为 t ：垒2 7 3 1 6 置+( 1 3 ) q l 其中q 。、q 2 是与工作物质有关的两个热量。这种温标的最大特点是与选用的 温度介质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或 绝对热力学温标。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基础。 1 2 常用的温度测试方法”幻 所有的温度测试仪在测温时其传感器( 或信号收集器) 不外乎处于两种状态： 和被测对象相接触；和被测对象不接触。我们据此分别称之为接触法测温和非接 触法测温。 温度测试的对象各种各样。但通常我们可把这些对象划分为固体，液体和气 体状态这三类。 固体表面温度与内部传热以及边界换热条件有关。固体内部的传热取决于材 料的导热系数；边界的换热则取决于对流换熟系数和发射率。固体内部向边界的 传热取决于固体材料本身。固体材料包括金属材料和非金属材料。不同材料的导 热机理是不一样的。在对固体表面测温时，大多采用接触法。在具体测温时，传 感器如何与被测对象接触对温度的测试结果影响较大是个重要问题。经过长期的 工程实践，人们总结出对固体表面测温时的几种提高测试准确度的方法： 1 2 1 等温线敷设法 以热电偶传感器为例。由于被测固体表面会沿着热电偶引线散热，故采用等 温线敷设法是解决引线导热引起误差的一种有效手段。将热电偶测量端焊接于金 2 1 概述 属表面或胶结与非金属表面，将其引出线沿着等温线敷设一段较长的距离后引出。 由于热电偶引出点远离测量点，所以从引出点导出的热量对测量点的影响很小。 1 2 2 平衡加热法 由于环境温度往往低于被测温度，使得热电偶所测得温度常比实际温度低。 图1 1 所示的平衡加热法可解决这一问题。 图1 1 平衡加热法 f i g1 1 e q u a t i o nc a l e f a c t i o nm e t h o d 1 、2 为康铜丝，3 为铜丝。由l 、3 所焊成的工作端紧贴被测表面：2 、3 所焊 成的工作焊点与1 、3 工作端尚有一定距离，可在热电偶外绕一小加热器。当测量 端接触被测表面时( a 点温度高于b 点) ，在l 、2 之间产生热电势。此热电势经 放大器放大后，指示出a ，b 间的温差热电势五，e 经p i d 调节后，推动可 控硅触发器及执行器，此执行器改变加到小加热器的功率，直到加热器所产生的 热量补偿热电偶丝散发的热量。从而使得a ，b 两点温度相等，即e 。为零。这时 由于丝中无导热，故此时热电偶所测得的表面温度就接近于表面的真实温度。 1 2 3 周期加热法 周期加热法是将平衡加热法中的连续加热补偿变成脉动加热的方法。此时使 加热器所供出的功率是周期性变化的，其结果使热电偶测量获得一个波动的温度， 并且波动的幅值大于被测温度变化的范围。其工作原理是：当加热器功率增大时， b 点温度高于a 点；当加热器功率减小时或不加热时，a 点温度高于b 点，同时 记录下a 、b 两点工作状况。如图1 2 所示： 图1 2 周期加热补偿结果实验曲线 f f i g1 2c o m o e n s a t ee x v e r i m e n tc h r v eo fc v cc a l e f a c t i o n 3 重庆大学硕士学位论文 只有在a 点和b 点温度相等时，热电偶丝中没有热量引出。这时被测表面与 a 、b 两点形成等温。记录曲线的焦点( c 。) 就是被测物体表面的真实温度。这 种方法的测量精度受被测材料导热系数及热电偶材料的影响很小。实验表明，从 室温到4 5 0 范围内，测量误差的绝对值不超过5 。 1 2 4 双元检测法 双元检测法是采用两个不同的测温元件，其测温原理如图1 3 所示。通常将热 电偶装入套管中成为棒形( 杆形测温元件) 。 ( a ) 圈1 3 双元检测法 ( a ) 测量表面温度( b ) 热电偶结构 f i g1 3 i n s p e c t i o nm e t h o do f d o u b l ep a r t s 此时，真实温度丁。与实测温度l 之间具有下列关系： z 曲= ( 1 + ) r 。 ( i 4 ) 而参数r 为： 例8 5 j 半 “5 ) 式中。、厶、r 。分别为测温元件与周围环境的等效对流换热系数，热电偶丝 的等效导熟系数和等效半径；a 为被测材料的导热系数。 对于两个直径不同的测温元件，就有： r n = ( 1 + r 1 ) r ，。 ( 1 6 ) 以及t _ = ( 1 + 口2 ) r 。， ( 1 7 ) 式中t 。与r 。：分别为两支热电偶的实测值。 若两个测温元件由相同的材料制成，但直径不同，则由式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 、( 1 7 ) 可得出： 舻掣1 ( 1 8 ) k t 。， 式中k = 旦 叩2 4 l 概述 0 8 5 j 兰哮；酽0 8 5 j 刍垒乌盘 由于测温元件材料相同，即五蜀2 九p 2 ，于是 k - 一r l l ：鱼：鱼 f 1 9 1 7 2 a e 2 r e 2 上式中的脚标l 与2 ，分别表示第一和第二个测温元件。由式( 1 8 ) 知，根据 两个不同的测温元件指示的温度r 。、r ，：，可计算出表面真实温度r d a 采用单个测温元件测量表面温度，由于受被测材料、测温元件引线的影响，会 造成测量误差。双元检测法则采用双检测元件进行测量，可以克服单个检测元件 的缺陷，测得精确的表面温度。测量结果与被测材料无关。 液体温度测量广泛应用于石油化工、轻纺、制药、电力等部门。由于液体的比 热及导热率都比较大，并且与检测元件有良好的接触，因此采用接触法是种比 较好的选择。只要测温元件选择合适，就能测量到接近于真实温度的测量值。为 保证测量的准确度，应注意以下几点： 测量液体的温度分布时，选用热容量较小的检测元件： 若测量的液体里带有搅拌装置，只要选择有代表性的点，即可得出其平均 温度： 测量管道内液体温度时，应注意感温元件在管道内安装位置，使元件与液 体有充分的接触，并使测量点选择在管道中流速最高的位置。 当被测液体具有较强的腐蚀性时，为了避免腐蚀测试仪器，也常采用非接触 法。非接触法采用隐丝式光学高温计、辐射感温器、光电高温计、光电比色高温 计以及红外辐射温度计等测温仪器进行测量。 气体温度的测量，实质是对气流温度的测量。对于气流速度不高，但温度较 高或者速度较快而温度不高的情况，测温仍以接触法为主；而对高速喷射燃烧的 气流测温可采用非接触法。在气流测温中，会碰到一些其他测温所没有的特殊问 题，本文以热电偶接触法测温为例，对这一问题说明如下： a 气体的热容与对流换热系数均小于液体，用热电偶测量高速气流温度时， 气流与热电偶之间换热能力差，两者长时间达不到热平衡状态，使得热电 偶所产生的热电势值不能反映气流的真实温度。 b 热电偶的温度较高时，它以辐射换热的方式向周围较冷物体传递热量和以 传导方式沿其自身由热端向冷端传递热量。这两项热损失的存在导致热电 偶所测得的温度总是低于气流的实际温度值，从而引起测量误差。 c 由于热电偶对气流的制动作用，将被制动的气流的动能转化为热能，使热 重庆大学硕士学位论文 电偶测得的温度偏高。 由上可知，在气体温度测量中，要提高低速高温气流或高速低温气流的准确 度，关键是提高气流与熟电偶之间的对流换热能力和设法减少热电偶对其周围较 冷物体的热辐射及热传导损失。在实际工程应用中针对不同的具体情况采用不同 的专用型热电偶( 如抽气热电偶、加屏蔽罩热电偶等) 和具体的安装措施来减少 热对流和热辐射造成的热损失。 1 3 温度测试仪器的发展与现状嘲嘲2 0 3 m 4 1 由于温度和人们的生活密切相关，所以很早以前人们就开始思考如何获得一个 研究对象的温度值的问题。1 5 9 2 年，意大利的伽俐略根据气体热膨胀现象，制造 了一个最简单的空气温度仪，用它能定性地表示温度的高低。1 6 4 1 年，意大利的 塔斯康大公爵费迪南第二首创了一种封口式的玻璃酒糟温度仪，这是第一支与大 气压无直接关系的温度仪。它的出现使人类在冷热现象探索中迈出了重要一步。 1 8 4 8 年开尔文引出热力学温标之后，人们以此为基准，在长时期对大自然的探索 和改造的过程中，逐步积累、总结，发现了某些物质的物理参数和温度变化之间 一些经验公式：同时在另一方面，随着热力学和物理学研究的不断进展，科学家 发现了一些基本物理定律，在此基础上，第一次成功地应用一些热敏感器件设计 成功了一些简单的测温仪器。如1 8 7 1 年西门子发现铂电阻测温原理，设计制造成 功第一支铂电阻测温仪；勒夏忒列于1 8 8 5 年第一次成功地使用热电偶测温等。以 后在电气技术和传感器技术发展地推动下，各种感温元件结合调理电路，再配以 显示装置所构成的较复杂的温度测试仪器被极为广泛的应用在工业、农业、国防 和科研工作中。常见的有热电阻测温仪、热电偶测温度仪、膨胀式测温仪以及红 外测温仪等。由于长期以来这类测温仪基本上都由模拟电路等硬件组成，故在此 我们称之为硬件式仪器。虽然这些温度测试仪器原理各异，品种繁多，显示方式 多种多样，但衡量其性能好坏的质最指标大体上是相同的。主要有： 准确性 它是表示温度显示值接近被测值的程度，用准确度来表示。准确度等级数字越 小，准确度越高。 灵敏性 表示温度显示值对被测温度变化的灵敏程度。用灵敏度和分辨能力来表示。 快速性 反映温度测试仪对被测温度变化的响应快慢程度，用时间常数和响应时间来 表示。 稳定性 6 i 概述 温度测温仪具有保持其计量特性恒定的能力，通常用稳定度来表示，一般是 指对时间的稳定度。 可靠性 衡量仪器能否经久耐用的一种综合性质量指标，用可靠度和平均无故障工作 时间来衡量。 经济性 它是表示仪器经济性能方面的指标，有时用性能价格比来表示，其值越高， 仪器的质量和经济性越好。 这类硬件式仪器因其结构简单，测量也比较稳定而在整个温度测试领域长期 占据主导地位。但是随着用户逐渐倾向于个性化测试，硬件式测温仪也暴露出许 多固有的缺点，例如它不能存储大量的测试数据来供离线处理，不具有复杂的分 析功能，使用效率低下等。这些缺点越来越让用户难以接受。近一、二十年来， 计算机技术、信息技术和虚拟现实技术突飞猛进。人们把测试技术与其有效结合， 推出了一种全新的测试仪器虚拟仪器( v u - t u a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器一出现， 便以其独特的性能立刻在整个测试领域产生重大影响，迅速改变着人们的测试思 想和测试方法。同样在温度测试领域，出现了新的基于虚拟仪器的测温仪虚 拟式测温仪。国内外研究虚拟仪器的各个公司和科研院所，如美国的n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 公司，l i p 公司，国内的重庆大学，哈尔滨工业大学等均分别开发自己 各具特色的虚拟式温度测试仪并正将其推向市场。 2 温度测试与仪器的原理 2 温度测试与仪器的原理 2 1 引言 温度不同于其他的物理量，不象质量或长度那样，把一个人工制品与其相应 的单位直接进行比较，而只能通过测量某些与其相关的物理量来从中导出：1 温度 是最重要的物理量之一，它遍及最基本的物理定理和几乎每一种物理测量之中。 几乎没有什么物理特性不与温度有关。因此存在着大量的以物理量表征的物理特 性可作为温度测量的基础。至少在理论上可以认为，具有与温度有关的物理特性 的物体都可以用来制作温度传感器或温度测试仪。因此必然会出现多种多样的温 度测试仪。 在应用方面，人们并不是把每一种具有与温度有关的参数的物体都用来做测 温仪或传感器。能够作为温度仪或传感器基础的物理参数必须满足以下条件：测 量简便，复现性好，灵敏度高以及随温度单调变化。由于铂、铜、锗、硅等导体 和半导体材料，以及镍硅、镍铝、镍铬等含金材料能较好的满足上述条件，所以 由它们制成的热电阻、热电偶测温仪非常广泛地被应用于测试领域中。另外，利 用辐射定律和热力学规律而制作的辐射测温仪，利用物质的热胀冷缩原理制作的 膨胀测温仪也被较为广泛的应用。本章将对热电阻和热电偶测温仪的测温原理， 物理结构和如何正确使用做一个详细说明，然后对辐射测温仪和膨胀测温仪也加 以简单介绍。 2 2 电阻温度测试仪”町1 钔”3 2 明 电阻温度测试仪以其高精度，小误差的显著特点广泛应用于石油、电力、纺 织、化工、橡胶等工业领域。 2 2 1 测温原理 电阻温度测试仪是利用电阻随温度的变化而变化的物理特性而制作的。导体 或半导体的电阻率与材料内参与导电过程的电子数量和晶体结构及其状态有关。 它们各有不同的导电机理。 导体电阻率 根据欧姆定律，导体的电阻率 户一了e ( 2 1 ) 式中e 为电场强度；j 为电流密度。在e 的作用下，j 的数值与自由电子数n ， 9 重庆大学硕士学位论文 电荷e 和电子定向运动速度平均值云成正比。在电场下导体内的自由电子热运动速 度与气体分子运动理论有相似之处。于是可通过自由电子运动时的平均自由程五及 其质量m 。得出电阻率与温度之间的相互关系，即 p ；粤塑 ，av 删o ( 2 2 ) 式中k 为玻尔兹曼常数，t 为温度。 导体的电阻率还与其晶格点阵震动和缺陷有关。当导体的温度增加时，晶格 的热震动将加剧，这时会有更多的传导电子被散射，导体的电阻率也随之增大。 实验结果表明，导体由此引起的电阻率在很宽的温度范围内可用布洛赫一格林爱森 经验公式描述： 排磊南 眨s ， 式中a 为金属的特性常数；m 为金属原子质量：目。为金属的德拜温度。 当t o 5 巩时，上式可简化为： p p ) 2 碗a t ( 2 4 ) 这就是公认的金属在高温下，电阻率与温度的正比关系式。 而在低温下，即t 0 5 0 。时，式( 2 3 ) 的积分上限可认为钆斗o o ，求解式( 2 3 ) 中被积函数的结果是1 2 4 4 。此时金属电阻率为 刺= 1 2 4 4 磊 ( 2 5 ) 对于金属导体而言，在一定的温度下，物质的电阻率和电阻有确定的数学函 数关系： r z p 三 ( 2 6 ) 式中r 导体电阻 卜一导体长度 s 导体的截面积 这样就可以把温度对电阻率的影响反映到电阻上，即温度变化会导致电阻变 化。 金属内部难免掺有微量杂质，但这种杂质在低温下是与温度无关的常量，它 的存在不受温度的变化所影响。 半导体电阻率 半导体是一种晶态固体，其原子结构较为特殊，外层的电予运动时既不象金 l o 2 温度测试与仪器的原理 属导体那样容易脱离原轨迹，也不象绝缘体那样束缚的很紧，这就决定了它的导 电特性介于金属导体和绝缘体之间。其导电机理与材料内价电子以及掺入的杂质 有关。 以半导体中典型的锗电阻为例，为了使其在较宽的低温区都能具备良好的温 度电阻特性，往往在以锗为主体的结晶中，采取掺镓补锑来提高低温区的灵 敏度，以扩大使用范围。当温度低于1 0 k 时，因为温度低，电子处于非激发状态， 没有载流子移动，故导电率低，电阻率大。在1 0 - 1 0 0 k 温度区域内，除了存在杂 质补偿作用外，锗元素中的价电子得到的能量以能使其处于跃迁状态，当温度增 高时，电阻率随之下降。在1 0 0 - 4 0 0 k 温区中，电阻率随温度成正比关系。当温度 上升到4 0 0 k 以上时，温度增加时，电阻率随之下降。 由于受到掺杂程度和制造工艺的影响，很难给出统一形式的方程来描述锗半 导体电阻温度特性。典型的经验公式是 r = b e x p ( a e 2 k r ) ( 2 7 ) 式中，系数b 取决于掺杂的种类和浓度，并随温度而变；a e 与禁带宽度有 关；k 为玻尔兹曼常数。 由式( 2 6 ) 或式( 2 7 ) 知：温度的变化引起了电阻的变化。如果在测温时， 对热电阻测温系统中的电阻感温元件通入工作电流，则不同的温度会导致导体或 半导体的电阻率发生变化，进而引起不同的电阻值，使得其两边产生不同的电压， 这样我们就将电阻随温度的变化转化成为电压随温度的变化。若我们将这个因为 温度的变化而导致的变化的电压对应取出后，送入动圈仪表显示或接入a d 卡转 换后送入计算机加以处理显示，就构成了所谓的温度测试仪器。这一信号变化过 程可用图2 1 表示如下： 匝乎圆 图2 1 信号变化流程图 f i g2 1 f l o wc h a r to f s i n g a lc o n v e r s i o n 热电阻感温元件的电阻与温度的关系特性是热电阻的基本特性，也是热电阻 传感器工作的理论基础。感温元件的电阻与温度的关系特性在实际应用中可以用 以下方式表示：列表法；内插法；作图法。 重庆大学硕士学位论文 列表法 列表法是用一张表格将感温元件的电阻值与温度的对应关系表示出来，通常我 们称它为“分度表”。分度表完全是由大量的实验、测试数据并经过数据处理后得 出的。在实际工作中，分度表的用处很大，一般已知热电阻的电阻值，则可根据 它的大小，在分度表中查出相对应的温度来。如表2 ，1 所示为我国工业铂热电阻 的部分分度表。 表2 1分度号：p t l 0r ( o ) = i 0 0 0 0 q a = 3 9 0 8 0 2 xi 0 4 + 1b = 一5 8 0 1 9 5 i 0 7 2c = 一4 2 7 3 5 0 x1 0 川1 0123456 7 8g 01 0 0 01 0 0 3 91 0 0 7 81 0 1 1 71 0 1 5 6 1 0 1 9 51 0 2 3 4 1 0 2 7 31 0 3 1 21 0 3 5 l l oi 0 3 9 0i 0 4 2 91 0 4 6 81 0 5 0 7 1 0 5 4 61 0 5 8 51 0 6 2 41 0 6 6 31 0 7 0 21 0 7 4 0 2 01 0 7 7 9l o 8 1 81 0 8 5 71 0 8 9 61 0 9 3 51 0 9 7 31 1 0 1 21 l0 5 11 1 0 9 01 1 1 2 8 3 0 1 1 1 6 71 1 2 0 61 1 2 4 51 i 2 8 81 i 3 2 2l i 3 6 11 1 3 9 91 1 | 4 3 81 1 4 7 71 1 5 1 5 4 01 1 5 5 41 1 5 9 31 1 6 3 11 1 6 7 01 1 7 0 81 1 7 4 71 1 7 8 51 1 8 2 41 1 8 5 21 1 9 0 1 5 01 1 9 4 01 1 9 7 81 2 0 1 01 2 0 5 61 2 6 9 5 1 2 1 3 21 2 1 7 01 2 2 0 91 2 2 4 7 1 2 2 8 6 6 01 2 3 2 41 2 3 6 21 2 4 0 11 2 4 3 91 2 4 7 71 2 5 1 61 2 5 5 41 2 ，5 9 21 2 6 3 11 2 6 6 9 7 01 2 7 0 71 2 7 4 51 2 7 8 41 2 8 2 21 2 8 6 01 2 8 9 81 2 9 8 71 2 9 7 51 3 0 1 31 3 0 5 l 8 01 3 0 8 91 3 1 2 71 3 1 6 61 3 2 0 41 3 2 4 21 3 2 8 01 3 3 1 81 3 3 5 51 3 3 9 41 3 4 3 8 9 01 3 4 7 01 3 5 0 81 3 5 4 61 3 5 8 41 3 6 2 21 3 6 6 01 3 6 9 81 3 7 3 61 3 7 7 41 3 8 1 2 根据上表可查出铂热电阻在0 到9 9 范围内的铂电阻值。例如：7 4 时对应 的铂电阻值为1 2 8 6 0 。与热电阻配套的显示仪表、调节器或温度变送器的刻度与 线路计算等，都是根据分度表来确定的。 内插法 内插法是建立在分度表的基础上的。分度表只能表示有限的感温元件的电阻与 温度关系特性的对应关系，而无法得出任意的电阻与温度关系特性。一般感温元 件如铂热电阻、铜热电阻等，它们的电阻与温度的关系特性不是线性的。这样只 有以内插方程的方式得出他们在不同的温度下对应的电阻值。内插方程可以用下 述一般表达式来表示： r ，= r 。( 1 + a t + b f l + c ，+ ( 2 8 ) 式中r ，热电阻在温度为f 时的电阻值； 凰热电阻在温度为o v 的电阻值； a 、b 、c 在固定温度点上所确定的分度常数，对于不同材料的热电阻， 其数值也不同。即使是同一材料，在不同的测温范围，其值也不一定相同。如铂 2 温度测试与仪器的原理 热电阻的电阻与温度关系特性，在温度为- 2 0 0 o 时，关系特性可表示为： r f = r o 【1 + a t + c ( f 1 0 0 ) t 3 】 ( 2 9 ) 在0 8 5 0 。c 时，电阻与温度关系特性则表示为 r 。= r 。( 1 + 爿f + b t 2 ) ( 2 1 0 ) 作图法 作图法是首先查出某一感温元件在不同温度下的有限个电阻值( 尽可能多) ， 以温度值为横坐标值，电阻值为纵坐标值，将它们对应描绘在坐标系中，然后用 一条光滑的曲线将它连起来，这样就可以近似查出在限定温度范围内任意温度对 应的电阻值。如图2 2 所示，分别描述了铂、铜、钨和热敏电阻的电阻与温度关 系特性曲线。 相对电阻 ( r - r o 4 0 3 o 2 0 1 o 02 0 04 0 06 0 08 0 0 凰2 2 电阻温度特性曲线 f i g2 2 r e s i s t a n c e - t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 当热电阻处于被测温度场时，该电阻感温元件的电阻值仍是测点处温度的量 度。但要能够读出该温度值，还必须有显示测量装置与它配套连接才行。所以用 来与热电阻配套的测量设备，按其本身作用的原理来说，其实都是“电阻测量器”。 在把热电阻随温度变化转变为电压随温度变化时通常采用桥式电路来实现。整 个测量系统结构可如图2 3 所示： 匝卜圃一酬 匝圈 匝玉卜趣圃 圈2 3 测量系统结构图 f i g2 3 s 虮l c t u r ef i gf o rm e a s u r e m e ms y s t e m 桥式电路分为平衡电桥和不平衡电桥，下面以不平衡电桥测温线路配合动圈测 量机构为例，来说明这一物理实现过程。其测量物理线路如图2 4 ，当被测对象温 度升高时，热电阻阻值也将随之增大，电桥失去了平衡，于是反映到见电阻两端 的电压发生变化，使得电桥系统输出一个毫伏数量级的电压到动圈测量机构，动 重庆大学硕士学位论文 圈机构中就有电流通过，使指针发生偏转。 动 圈 测 量 机 构 圈2 4 铡温物理线路 f i g2 4p h y s i c a lc i r c u i t r yf o rm e a s u r e m e f l t 温度越高，输出毫伏值越太，流过动圈电流也越大。所以动圈的偏转大小就 对应了电阻( 即温度) 的变化大小。当要用计算机来代替动圈测量机构时，须在 计算机前加a d 卡，以实现将电压模拟信号变为可被计算机识别的数字信号。 2 2 2 物理结构 感温元件是电阻温度测试仪的核心部分，不同的热电阻感温元件装在不同的 接线盆和保护管中，组成各种结构和性能不同的热电阻产品。本文只对最常见的 铂电阻温度测试仪系统的物理结构作一介绍。 铂电阻测温仪按其用途分有标准型和工业型两类。通常对标准型铂电阻测温仪 按其适应的温度和结构又可分为长杆型、套管型和高温型。不管它们是什么类型 的测温仪，它们都是由感温元件铂丝、绝缘管、保护管、引出线以及显示装置等 几部分组成。其系统 4 图2 5 热电阻涮温仅系统结构 l 绝缘体2 铂丝3 引出线4 显示装置 f i g2 5s y s t e ms t r u c t u r eo f t h e r m o r e s i s t a n c em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n tf o rt o m p e r a t u r e 1 4 2 温度测试与仪器的原理 感温元件是以直径为o o 0 3 0 0 0 7 毫米的纯铂丝2 绕在有锯齿的云母绝缘体 1 上，外面套以保护管而构成仪器的传感部分。再用两报直径约为西o 5 中1 4 毫 米的银导线作为引出线3 引出与显示装置4 连接。测温时，根据被测对象的特点 采用适当的方法使仪器的传感器部分和被测物充分接触。当感温元件上的铂丝受 到温度作用时，感温元件的电阻值随温度而变化，并呈一定的函数关系r ，= “f ) 。 将变化的电阻值作为信号输入具有平衡或不平衡电桥回路的显示装置，即能测量 被测物质的温度。 标准型铂电阻温度仪主要是用来作为温标传递的计量仪器或作精密温度测量 之用，它们都是使用在实验工作条件下的。用云母或陶瓷等做的绝缘管一般是做 成十字架形或螺旋型。在铂电阻的感温元件制成前后，均需经充分仔细地清洗， 然后在装入适当大小的玻璃或石英保护套管中，进行充氦、封接和退火等一系列 严格处理。这样才能保证它们具有很高的稳定性和准确度。 工业型铂电阻温度仪用于工业现场测温，其技术指标没有标准型要求的高， 但为使其熟电特性达到统一要求，并能适应工业应用中常见的冲击、振动、高压 以及有害气体的腐蚀，常将感温元件、绝缘材料、金属导线和用不锈钢或铜制成 的保护管组合加工成坚固实整体，称之为铠装式铂电阻温度仪。 铠装式铂热电阻因其感温元件结构牢固，密封性好，具有良好的绝缘性能， 测温时不直接与有害介质接触，所以具有良好的技术性能。 2 2 3 仪器的正确使用 尽管电阻测温仪是一种精度很高，测温误差很小的温度测试仪器，但如使用 不当，将会引起很大的测量误差，得不到正确的热电特性。因此在实际应用中， 应注意以下几个方面： 避免受到过大的震动和应力作用。 标准铂电阻测温仪受到冲击、震动或其他形