第3章 温度传感器

2018/1/13,1,第3章 温度传感器,2018/1/13,2,掌握温度的概念、温度的测量方法了解温度的测量原理、温度传感器 的种类及应用,学习目的,2018/1/13,3,3.1 温标及温度的测量方法3.2 膨胀式温度计 3.3 电阻式温度传感器 3.4 热电偶温度传感器 3.5 集成温度传感器 3.6 辐射式温度传感器 本章小结复习思考题,主要内容,返回主目录,2018/1/13,4,3.1 温标及温度的测量方法,温度是表征物体冷热程度的物理量，是物体内部分子无规则剧烈运动程度的标志,分子运动越剧烈，温度就越高,2018/1/13,5,3.1.1 温标,用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。,华氏温标（）在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为F。,摄氏温标()在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为t。,热力学温标（K）规定分子运动停止时的温度为绝对零度（0K），符号为T。热力学温标的零点绝对零度，是宇宙低温的极限，宇宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达到绝对零度（如宇宙空间的温度为0.2K）。,温标,3 种温标的换算关系为,2018/1/13,6,几种温标比较,2018/1/13,7,3.1.2 温度的测量方法,温度不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。温度传感器就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。温度传感器是由温度敏感元件（感温元件）和转换电路组成的，如图3-1所示。,温度测量方法,接触式感温元件与被测对象接触，彼此进行热量交换，使感温元件与被测对象处于同一环境温度下，感温元件感受到的冷热变化即是被测对象的温度。常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器等。,非接触式利用物体表面的热辐射强度与温度的关系来测量温度的。通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测物的温度。常见的非接触式测温传感器有：辐射高温计、光学高温计、比色高温计、热红外辐射温度传感器等。,2018/1/13,8,接触测量,2018/1/13,9,非接触测量,红外线测温,2018/1/13,10,温度传感器种类及特点,2018/1/13,11,返回本章目录,2018/1/13,12,3.2 膨胀式温度计,工作原理利用物体受热体积膨胀的原理而制成的，多用于现场测量及显示。分类按选用的物质不同，可分为液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计、气体膨胀式温度计3种类型。测温范围膨胀式温度计可以测量-200700范围的温度。在机械热处理测温中，常用于测量碱槽、油槽、法兰槽、淬火槽及低温干燥箱的温度，也广泛用于测量设备、管道和容器的温度。特点这种温度计结构简单，制造和使用方便，价格低，但外壳薄脆、易损坏，大部分不适于远距离测温，必须接触测量。,2018/1/13,13,3.2.1 玻璃液体温度计,将酒精、水银、煤油等液体充入到透明有刻度的玻璃吸管中，两端密封，就制成玻璃液体温度计。它是利用玻璃感温泡内的液体受热体积膨胀与玻璃体积膨胀之差来测量温度的。,酒精温度计量度范围约为-11478,水银温度计大多用于液体、气体及粉状固体温度的测 量，测温范围为-30+300,玻璃液体温度计,煤油温度计量度范围约为-30150。,平常看到装有红色工作物质的温度计，温度计的刻度在100以下，一般都是煤油温度计，而不是酒精温度计。,2018/1/13,14,3.2.2 固体膨胀式温度计,工作原理利用膨胀系数不同的两种金属材料牢固地粘贴在一起制成的。典型的固体膨胀式温度计是双金属温度传感器，如图3-3所示。,双金属温度计测温范围为-100+600，探头长度可 以达到1米长，可用于测量液体、蒸汽及气体介质温度。 特点：现场显示温度，直观方便，抗震性能好，结构简 单，牢固可靠，使用寿命长，但精度不高。,2018/1/13,15,结构,图3-5 双金属温度计的结构,可以做成轴向型、径向型、135型及万向型。连接方式有：可动外螺纹、可动内螺纹、固定螺纹、固定法兰、卡套螺纹、卡套法兰、无固定安装等连接,2018/1/13,16,双金属温度传感器常用于恒温箱、加热炉、电饭锅（电饭煲）、电熨斗等温度控制.,图3-6 双金属温度传感器用于控制温度示意图,图3-7 双金属控制电饭锅温度,2018/1/13,17,3.2.3 气体膨胀式温度计,图3-8 气体膨胀式温度计,气体膨胀式温度计是基于密封在容器中的气体或液体受热后体积膨胀，压力随温度变化而变化的原理测温的，所以该温度计又称为压力式温度计。,当温包受热后，其内部的工作介质温度升高，体积膨胀，压力增大，此压力经毛细管传到弹簧管内，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针偏转，指示相应的温度值。,2018/1/13,18,气体膨胀式温度计根据填充物的不同 （氮气、氯甲烷、水银），可分为 气体压力式温度计、蒸汽压力式温度计和 液体压力式温度计。测温范围为-100+700。主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度测量， 也能用于温度控制和有爆炸危险场所的温度测量。,2018/1/13,19,体积热膨胀式温度传感器,返回本章目录,2018/1/13,20,3.3 电阻式温度传感器,电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的原理来测量温度的，即材料的电阻率随温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。 把由金属导体铂、铜、镍等制成的测温元件称为金属热电阻，分类 简称热电阻传感器； 把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻。,2018/1/13,21,3.3.1 金属热电阻传感 器,工作原理 利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理 进行测温的。,图 3-9 金属热电阻传感器测量示意图,主要材料 铂和铜。,测温范围 -220850范围内的温度，少数情况下，低温可 测量至1K（-272），高温可测量至1000。,2018/1/13,22,1 .铂热电阻,1 .铂热电阻的电阻-温度特性 铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的测量范围为 -200850。-200 0 的温度范围内为：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 0 850的温度范围内为： Rt=R0(1+At+Bt2) 式中Rt和R0分别为t和0时的铂电阻值；A、B、和C为常数，其数值为 A = 3.9684*10-3/ B = - 5.847*10-7/ C = - 4.22*10-12/,分度号分别为Pt10、Pt50、Pt100，其中Pt100最常用。铂热电阻不同分度号对应有相应分度表，即Rt t 的关系,2018/1/13,23,铂热电阻纯度,用R100/R0=（1.385）表示铂丝的纯度，比值越大， 纯度越高，测量越精确。我国工业用铂电阻R100/R0=1.3911.389，国际上规定R100/R01.392书中的A、B、C的值是分度号为Pt100,2018/1/13,24,2018/1/13,25,2.铜热电阻的电阻-温度特性,由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50150时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为： Rt=R0(1+a1t+a2t2+a3t3) 由于a2,a3比a1小得多，所以可以简化为： RtR0 (1+a1t)式中，Rt是温度为t时铜电阻值；R0是温度为0时铜电阻值； a1是常数；a1=4.28*10-3-1铜电阻的R0常取100、50两种，分度号为Cu100、Cu50。,特点：铜易于提纯，价格低廉，电阻-温度特性线性较好。但电阻率仅为铂的几分之一。因此，铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热惯性较大，在温度高于100以上或腐蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。因此，只能用于低温及无腐蚀性的介质中。,2018/1/13,26,3 . 热电阻传感器的结构,图3-10 热电阻传感器的结构电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂丝直径在0.03（0.07mm0.005）mm之间，可单层绕制，电阻体可做得很小。铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大，一般为（0.10.005）mm 的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。,由于铜电阻测量的温度低，一般多用双绕法，即先将铜丝对折，两根丝平行绕制，两个端头处于支架的同一端，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。,图3-10 热电阻传感器的结构,2018/1/13,27,4. 热电阻传感器的测量电路,热敏电阻传感器外接引线如果较长时，引线电阻的变化使测量结果有较大误差，为减小误差，可采用三线制电桥连接法测量电路或四线电阻测量电路。,图3-12 两线制测量,图3-13 三线制电桥测量电路,图3-14 四线制恒流源测量电路,2018/1/13,28,图3-15热电阻引线方式,无论三线制或四线制测量电路，都必须从热电阻感温体的根部引出导线，不能从热电阻的接线端子上分出，如图3-15所示。否则同样会存在引线误差。,2018/1/13,29,3.3.2 半导体热敏电阻,半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。,热敏电阻分类,正温度系数（PTC）热敏电阻;负温度系数（NTC）热敏电阻; 临界温度电阻器（CTR）(在某一特定温度下电阻值会发生突变),图3-16各种热敏电阻的特性曲线 1突变型NTC 2负温度NTC 3线形型PTC 4突变型PTC,温度的测量,温控开关电路,热敏电阻在电路中的符号：,2018/1/13,30,热敏电阻结构,MF12型NTC热敏电阻,聚酯塑料封装热敏电阻,2018/1/13,31,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58型热敏电阻,2018/1/13,32,2018/1/13,33,2018/1/13,34,4. 热敏电阻的应用,（1）热敏电阻测温 用于测量温度的热敏电阻结构简单，价格便宜。没有外保护层的热敏电阻只能用于干燥的环境中，在潮湿、腐蚀性等恶劣环境下只能用密封的热敏电阻。如图3-18为热敏电阻测量温度的电路图。测量时先对仪表进行标定。将绝缘的热敏电阻放入32（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，图3-18 热敏电阻体温表原理图调节RP1，使指针在32上，再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上升到45。待热量平衡后，调节RP2，使指针指在45上。再加入冷水，逐渐降温，反复检查3245范围内刻度的准确性。,图3-18 热敏电阻体温表原理图,2018/1/13,35,图3-19 负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用,开机检测,关机检测,基准电压,t Ui2Ui1、Ui2Ui3，UA1 ，UA2 。 UIC2 ，VT导通，继电器工作，压缩机开始制冷,2018/1/13,36,LED显示,2018/1/13,37,返回本章目录,2018/1/13,38,3.4 热电偶温度传感器,热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。其结构简单、使用方便、测温点小、准确度高、热惯性小、响应速度快、便于维修、复现性好；测温范围广，一般为-270+2800；直接输出电信号，不需要转换电路。适于远距离测量、自动记录、集中控制等优点。在温度测量中占有很重要的地位。缺点是存在冷端温度补偿问题。,2018/1/13,39,3.4.1 热电偶温度传感器的工作原理,1. 热电效应两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路时，若两接点温度不同，则在该电路中会产生电动势，这种现象称为热电效应。该电动势称为热电动势。,图3-20 热电偶测温原理图,2018/1/13,40,热电偶工作原理演示,热端温度高于冷端温度时，回路中产生的热电势大于零,2018/1/13,41,冷热端温度相等时，回路中不产生热电势,2018/1/13,42,热端温度低于冷端温度时，回路中产生的热电势小于零,2018/1/13,43,2. 热电动势的组成,图3-23 热电偶回路总热电势,两种导体的接触电势,图3-21 两种导体的接触电势,图3-22 单一导体的温差电势,温差电势很小,单一导体的温差电动势,接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关,2018/1/13,44,总热电动势表达式,则总的热电动势就只与热端温度t 成单值函数关系，即,温差电势很小，可忽略不计,总热电势表达式,to 恒定eAB（to）= C,热端接触电势,冷端接触电势,A导体的温差电势,B导体的温差电势,2018/1/13,45,附录C K型热电偶分度表K型（镍铬镍硅） 热电偶温度范围（-901300） （参考端温度为0）,热电势 mV,2018/1/13,46,3. 热电偶的基本定律,（1）中间导体定律 在热点偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则对热电偶回路总的热电动势无影响 。同样加入第四、第五种导体后，只要其两端温度相同，同样不影响电路中的总热电动势。,EABC（t,to）= EAB（t，to）,图3-24 中间导体定律,第三种导体,2018/1/13,47,证明中间导体定律,图3-24 中间导体定律,当t=t0时,所以,2018/1/13,48,中间导体定律的意义,根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量,且不影响测量精度。可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的温度相同即可。,图3-25 连接仪表的热电偶测量回路,图3-26 开路热电偶测温,2018/1/13,49,（2）中间温度定律,在热电偶测量电路中，测量端温度为t，自由端为to，中间温度为t，则（t，to）的热电势等于（t，t）与（t，to）热电势代数和。即,图3-27 中间温度定律,两式相加得,证明,2018/1/13,50,中间温度定律的意义,利用该定律，可对参考端温度不为0的热电势进行修正。另外，可以选用廉价的热电偶A、B代替t到to段的热电偶A、B，只要在 t、to温度范围内A、B与A、B热电偶具有相近的热电势特性，便可将热电偶冷端延长到温度恒定的地方再进行测量，使测量距离加长，还可以降低测量成本，而且不受原热电偶自由端温度t的影响。这就是在实际测量中，对冷端温度进行修正，运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶自由端温度变化影响的道理。热电势只取决于冷、热接点的温度，而与热电极上的温度分布无关。,2018/1/13,51,（3）参考电极定律,如图3-28所示，已知热电极A、B与参考电极C 组成的热电偶在接点温度为（t，to）时的热电动势分别为EAC（t，to），EBC（t，to），则相同温度下，由A，B两种热电极配对后的热电动势EAB可按下面公式计算为,图3-28 参考电极定律,2018/1/13,52,参考电极定律举例,例1 已知铂铑30铂热电偶的E（1084.5，0）= 13.937mV， 铂铑6铂热电偶的 E（1084.5，0）= 8.354mV，求：铂铑30铂铑6热电偶在同样温度条件下的热电动势。,解: 设A 为铂铑30电极，B 为铂铑6电极，C 为纯铂电极,EAB（1084.5，0）= EAC（1084.5，0 ）- EBC（1084.5，0）= 5.622mV,2018/1/13,53,参考电极定律的意义,参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，那么任何两种电极配对后的热电势均可利用该定理计算，而不需要逐个进行测定。由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极。,起主要作用的是两个接点的接触电势,热电偶具有以下性质：（1）当两热电极材料相同时，不论接点温度相同与否，回路总热电势均为零（2）当热电偶两个接点温度相同时，不论电极材料相同与否，回路总热电势均为零。（3）只有当电极材料不同，两接点温度不同时，热电偶回路才有热电势。当电极材料选定后，两接点的温差越大，热电势也就越大。（4）回路中热电势的方向取决于热端的接触电势方向或回路电流流过冷端的方向。,2018/1/13,54,3.4.2 热电极的材料及常用热电偶,根据热电偶的测量原理，理论上任何两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶，但实际应用中，但为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。组成热电偶材料要满足以下条件：,1） 在测量温度范围内，热电性能稳定，不随时间和被测介质变化，物理化 学性能稳定，能耐高温，在高温下不易氧化或腐蚀等。2） 导电率要高，电阻温度系数小。3） 热电势随温度的变化率要大，并希望该变化率最好是常数。4） 组成热电偶的两电极材料应具有相近的熔点和特性稳定的温度范围。5） 材料的机械强度高，来源充足，复制性好，复制工艺简单，价格便宜。,目前工业上常用的4种标准化的热电偶材料为：铂铑30铂铑6（分度号为B型），测温范围01800；铂铑10铂（分度号为S型），测温范围01600；镍铬镍硅（分度号为K型），测温范围-2001300；镍铬铜镍（分度号为E型），测温范围-200900。,组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面为负极。查热电偶分度表时，一定要对应相应的材料。,2018/1/13,55,3.4.3 热电偶传感器的结构,根据安装连接形式可分为:固定螺纹连接，固定法兰连接，活动法兰连接，无固定装置等形式,图3-30 铠装热电偶,图3-31 薄膜热电偶,也称缆式热电偶，它是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外套不锈钢管等.热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用,用真空镀膜技术等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶,薄膜热电偶：测量范围为-200500，热电极材料多采用铜康铜、镍铬铜、镍铬镍硅等，用云母作绝缘基片，主要适用于各种表面温度的测量。当测量范围为5001800时，热电极材料多用镍铬镍硅、铂铑铂等，用陶瓷做基片。,2018/1/13,56,普通装配型热电偶的外形,2018/1/13,57,铠装热电偶外形,铠装热电偶横截面,2018/1/13,58,另外，根据热电偶的测温原理，热电偶回路的热电势只与冷端和热端的温度有关，当冷端温度保持不变时，热电势才与测量端温度成单值对应关系。但在实际测量时，冷端温度常随环境温度变化而变化， 不能保持恒定，因而会产生测量误差。为了消除或补偿冷端温度的影响，常采用以下几种方法。,3.4.4 热电偶冷端温度补偿,由于热电偶的分度表是在冷端温度为0时测得的，如果冷端温度不为零，测得的热电势就不能直接去查相应的分度表。,2018/1/13,59,10冷端恒温法（冰浴法）,将热电偶的冷端置于0的恒温器内，保持为0。此时测得的热电势可以准确的反映热端温度变化的大小，直接查对应的热电偶分度表即可得知热端温度的大小。,在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间的保持在0 不变,2018/1/13,60,冰浴法接线图,被测流体管道,热电偶,接线盒,补偿导线,铜导线,毫伏表,冰瓶,冰水混合物,试管,新的冷端,2018/1/13,61,此方法在热电偶与动圈式仪表配套使用时特别实用。可以利用仪表的机械调零点将零位调到与冷端温度相同的刻度上，也就相当于先给仪表输入一个热电势 ，在仪表使用时所指示的值即为 对应的温度值，也即实际测量的温度的大小,2冷端恒温法,当热电偶的冷端温度t00时，测得的热电动势 EAB（t， t0 ） EAB（t，0）。,若冷端温度t0 0，则EAB（t， t0 ）EAB（t，0 ）。,将冷端置于其他恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。,利用中间温度定律即可求出测量端相对于0的热电势。,2018/1/13,62,3. 补偿导线法（延引电极法）,实际测温时，由于热电偶的长度有限，冷端温度将直接受到被测介质温度和周围环境的影响.例如，热电偶安装在电炉壁上，电炉周围的空气温度的不稳定会影响到接线盒中的冷端的温度，造成测量误差。,图3-32 补偿导线法,为了使冷端不受测量端温度的影响，可将热电偶加长，但同时也增加了测量费用。所以一般采用在一定温度范围内（0100）与热电偶热电特性相近且廉价的材料代替热电偶来延长热电极，这种导线称为补偿导线，这种方法称为补偿导线法。如图3-32所示。A、B为补偿导线，根据补偿导线的定义有:,2018/1/13,63,热电偶补偿导线的作用,如果参考端温度不稳定，会使温度测量误差加大。为使热电偶测量准确，在测温时，可采用配套的补偿导线将参考端延伸到温度稳定处再进行温度测量。所以，补偿导线只起延长热电偶的作用，不起任何温度补偿作用，但与热电偶有相同的功用。又因补偿导线比热电偶便宜，使用补偿导线可节约测量经费。,使用补偿导线必须注意两个问题： 两根补偿导线与热电偶相连的接点温度必须相同，接点温度不 超过100 ； 不同的热电偶要与其型号相应的补偿导线配套使用，且必须在 规定的温度范围内使用，极性不能接反。 在我国，补偿导线已有定型产品，如表3-1所示。,2018/1/13,64,表3-1 常用热电偶补偿导线,2018/1/13,65,当热电偶冷端温度上升时，热电势值将减小，但电阻 阻值增加，电桥失去平衡，ab间显现的电位差 ，如果适当选取桥臂电阻，便可使 正好等于减小的热电势值，仪表读出的热电势值便不受自由端温度变化的影响，即起到了自动补偿的作用。,4. 电桥补偿法,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。,图3-33 电桥补偿法,电阻温度系数较大,如图3-33所示。当t0= 0时，将电桥调至平衡状态，a、b两点电位相等，电桥对仪表读数无影响；,电阻温度系数较小,2018/1/13,66,3.4.5 热电偶测温电路,（1）测量某一点温度（一个热电偶和一个仪表配用的基本电路 ）,仪表的读数为：,补偿导线,图3-34 热电偶测量某一点温度,2018/1/13,67,（2）测量两点温度之差的电路,两支同型号的热电偶反向串联,仪表的读数为：,注：用热电偶测量两点温度之差时，千万不能直接相减两温度点的温度,图3-35 测量两点温度之差,2018/1/13,68,（3）测量两点间温度和的电路,两支同型号的热电偶正向串联,仪表的读数为：,该电路的特点是：输出的热电势较大，提高了测试灵敏度，可以测量微小温度的变化。并且因为热电偶串联，只要有一支热电偶烧断，仪表即没有指示，可以立即发现故障。,图3-36 测量两点间温度和,2018/1/13,69,（4）测量两点间平均温度的电路,两支同型号的热电偶并联,图中每一支热电偶分别串接了均衡电阻R1、R2，其作用是在t1、t2不相等时，在每一支热电偶回路中流过的电流不受热电偶本身内阻不相等时的影响，所以R1、R2的阻值很大。,仪表的读数为：,该电路的缺点：当某一热电偶烧断时，不能立即察觉出来，会造成测量误差,图3-37 测量两点间平均温度,2018/1/13,70,（5） 多点温度测量线路,该种连接方法要求每只热电偶型号相同，测量范围不能超过仪表指示量程，热电偶的冷端处于同一温度下。多点测量电路多用于自动巡回检测中，可以节约测量经费。,图3-38 一台仪表分别测量多点温度,通过波段开关，可以用一台显示仪表分别测量多点温度。,2018/1/13,71,3.4.6 热电偶的应用,热电偶用于金属表面温度的测量,一般当被测金属表面温度在200300左右或以下时， 可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属表面。,当被测表面温度较高，而且要求测量精度高和响应时间 常数小的情况下，常采用焊接，将热电偶的头部焊于金 属表面。,2018/1/13,72,2. 测控应用,如图3-39所示为常用炉温测量控制系统。图中由毫伏定值器给出设定温度对应的毫伏数，当热电偶测量的热电势与定值器输出的数值有偏差时，说明炉温偏离设定值，此偏差经放大器放大后送到调节器，再经晶闸管触发器推动晶闸管执行器，从而调整炉丝加热功率，消除偏差，达到温控的目的。,2018/1/13,73,3. 热电偶用于管道内温度的测量,如图所示为管道内温度测量热电偶的安装方法。热电偶的安装应尽量做到使测温准确、安全可靠及维修方便。不管采用何种安装方式，均应使热电偶插入管道内有足够的深度。安装热电偶时，应将测量端迎着流体方向。,返回本章目录,2018/1/13,74,3.5 集成温度传感器,集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把感温元件（PN结）与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成。其具有体积小、线性好、反应灵敏、价格低、抗干扰能力强等优点，所以应用十分广泛。由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150以下的温度。,集成温度传感器分类,电流型输出阻抗很高，可用于远距离精密温度遥感和遥 测，而且不用考虑接线引入损耗和噪声,电压型输出阻抗低，易于同信号处理电路连接,频率型易与微型计算机连接,三端式,两端式,输出端个数,2018/1/13,75,3.5.1 集成温度传感器基本工作原理,图3-40为集成温度传感器原理示意图。其中VT1、VT2为差分对管，由恒流源提供的I1、I2分别为VT1、VT2的集电极电流，则Ube为,k玻尔兹曼常数；Q电子电荷量；T绝对温度；VT1和VT2发射极面积之比。,只要I1/I2为恒定值，则Ube与温度T为单值线性函数关系。 这就是集成温度传感器的基本工作原理。,图3-40集成温度传感器原理图,2018/1/13,76,3.5.2 电压输出型集成温度传感器,图3-41电路为电压输出型温度传感器VT1、VT2为差分对管，调节电阻R1，可使I1=I2，当对管VT1、VT2的值大于等于1时，电路输出电压U0为,若R1= 940 ，R2=30，=37，则电路输出温度系数为10mV/K。注意：T（K）= t（）+ 273.15,图3-41 电压输出型温度传感器,2018/1/13,77,3.5.3 电流输出型集成温度传感器,电流输出型集成温度传感器原理如图3-42所示。对管VT1、VT2作为恒流源负载，VT3、VT4作为感温元件，VT3、VT4发射极面积之比为，此时电流源总电流IT为：,由上式可得知，当R、 为恒定量时，IT与T成线性关系。若R=358 ， =8，则电路输出温度系数为1A/K。,图3-42 电流输出原理电路图,2018/1/13,78,3.5.4 集成温度传感器的应用,1.温度测量AD590是应用广泛的一种集成温度传感器，由于它内部有放大电路，再配上相应的外电路，可方便的构成各种应用电路。如图3-43所示为一简单测温电路。AD590在25（298.15K）时，理想输出电流为298.15A。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压UR 满足 1mV/K的关系(如25时，UR应为298.15mV)。调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压UR读出 AD590 所测得热力学温度。,图3-43 绝对温度测量,2018/1/13,79,2. 热电偶参考端的补偿,集成温度传感器用于热电偶参考端的补偿电路如图3-44所示AD590应与热电偶参考端处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器，其输出电压Uo = 2.5V。电路工作时，调整电阻R2使得I1 = t0x10-3mA，这样在电阻R1上产生一个随参考端温度t0变化的补偿电压 U1 =I1 * R1。,图 3-44 热电偶参考端的补偿电路,2018/1/13,80,3. 温度控制,图3-45为AD590简单的温度控制电路。AD311为比较器，其输出控制加热器电流，调节RT可改变比较电压，从而改变控制温度。AD581是稳压器，为AD590提供稳定电压。,图3-45 温度控制电路,返回本章目录,2018/1/13,81,3.6 辐射式温度传感器,与接触式温度传感器相比，具有以下特点：1）传感器与被测对象不接触，不会干扰被测对象的温度场，故可测量运动物体的温度，且可进行遥测。2）由于传感器与被测对象不在同一环境中，不会受到被测介质性质的影响，所以可以测量腐蚀性、有毒物体、带电体的温度，测温范围广，理论上无测温上限限制。3）在检测时传感器不必和被测对象进行热量交换，所以测量速度快，响应时间短，适于快速测温。4）由于是非接触测量，测量精度不高，测温误差大。,辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度变化的原理制成的。是一种非接触式测温方法，只要将传感器与被测对象对准即可测量其温度的变化。,2018/1/13,82,3.6.1 辐射测温的原理,辐射温度传感器是利用斯蒂芬彼尔兹曼全辐射定理研制出的。其数学表达式为：,由上式可知，物体温度越高，辐射功率就越大，只要知道物体的温度，就可以计算出它所发射的功率，反之，如果测量出物体所发射出来的辐射功率，就可利用式（3-17）确定物体的温度。,（3-17）,全波长辐射能力,物体的绝对温度,斯蒂芬彼尔兹曼常数,2018/1/13,83,3.6.2 红外线温度传感器,红外线温度传感器是利用红外线的物理性质来进行无接触测温的传感器，任何物质的温度只要高于绝对零度，都能辐射红外线，物体的温度越高，辐射功率就越大。只要测出物体所发射的辐射功率，就能确定物体的温度。,图3-46 红外温度传感器测温原理框图,红外线温度传感器主要由光学系统、检测系统和转换电路组成。光学系统按结构不同分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件主要是热敏电阻，热敏电阻受到红外线辐射时，温度升高，电阻发生变化，通过转换电路输出电信号。光电检测元件常用的是光敏元件，如光敏电阻、光电池或热释电元件等。图3-46为红外温度传感器测温原理。,2018/1/13,84,2018/1/13,85,2018/1/13,86,2018/1/13,87,2018/1/13,88,2018/1/13,89,2018/1/13,90,3.6.3 亮度式温度传感器,亮度式温度传感器是利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度的。,2018/1/13,91,3.6.4 比色温度传感器,被测对