第二章 温度检测

1、第二章 温度检测概述温度的定义： 宏观概念-是物体冷热程度的表示. 热平衡的两物体，其温度相等。 微观概念-是大量分子运动平均强度的表示。 分子运动愈激烈其温度表现越高。2.1 温标及测温方法2.1.1 温标温标：用来衡量温度高低的标准尺度。一、经验温标： 1.以物体热胀冷缩现象为基础。 2.把在两温度点之间体积的总变化分为 若等分，每个等分定义为1度。 2.1.1 温标 摄氏温标：它把冰点定为0度，把水的沸点定位100度，将两个固定点之间的距离等分为100份，每一份为1度，记为。 华氏温标：它规定水的沸腾温度为212度，氯化铵和冰的混合物为0度，这两个固定点中间等分为212份，每一份为1度，

2、记为 。 9325tFtC2.1.1 温标二、热力学温标 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为273.16份，每份为1 K(Kelvin) 。2.1.1 温标三、国际实用温标国际实用温标的惟一基准点为水的三相点。273.15tCT K2.1.2 温度检测的主要方法及分类温度测量分为接触式接触式和非接触式非接触式两大类。1.接触式测温：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。 优点优点：结构简单、可靠，测温精度较高。 缺点缺点：容易破坏被测对象的温度场； 不适于测量高温对象、处于运动中的 对象； 高温和腐蚀性介质影响感温元件

3、的性能 和寿命。2.1.2 温度检测的主要方法及分类2.非接触式测温：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。 优点：具有较高的测温上限； 热惯性小，可达千分之一秒，故便于测 量运动物体的温度和快速变化的温度。 缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较 大，且结构复杂，价格比较昂贵。2.1.2 温度检测的主要方法及分类温度传感器应满足的条件：n特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化； n除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低； n特性随时间变化要小； n重复性好，没有滞后和老化； 2

4、.1.2 温度检测的主要方法及分类n灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；n机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好； n能大批量生产，价格便宜等。2.2 膨胀式温度计n膨胀式温度计是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。n膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计液体膨胀式玻璃温度计、液体或气液体或气体膨胀式压力温度计体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金固体膨胀式双金属温度计属温度计。2.2.1 双金属温度计2.2.1 双金属温度计2.2.1 双金属温度计2.2.1 双金属温度计n优点：抗振性能好、结构简单、读数方便。n缺点：测量范围不大(-806

5、00)； 精度不高(通常为1.5级左右)。2.2.2 压力式温度计2.2.2 压力式温度计n优点：结构简单、强度高、抗振性较好。n缺点：精确度低、耐腐蚀性能较差。2.2.3 玻璃温度计n玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9、测温上限为538。2.2.3 玻璃温度计n全浸式：测温准确度高，但读刻度困难，使用操作不便。n局浸式：读数容易，但测量误差较大，即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。2.3 电阻式温度传感器n热电阻测温原理：金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。n大

6、多数金属在温度升高1 C 时电阻将增加0.40.6。n半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1 C ，电阻约减小26。2.3 电阻式温度传感器n制造热电阻的材料要求：1. 电阻温度系数大；2. 电阻率高；3. 热容量、热惯性要小4. 在测温范围内， 物理、化学性能稳定；5. 材料质纯、 加工方便和价格便宜等。2.3.1 金属热电阻传感器n一、热电阻的类型n目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍铂、铜和镍。 2.3.1 金属热电阻传感器1. 铂热电阻优点：精度高，稳定性好，性能可靠，耐氧化性能很强；容易提纯，复现性好；有较高的电阻率。2.3.1 金属热电阻传感器缺点：在

7、高温下， 易受还原性介质污染；电阻温度系数比较小；价格贵。2.3.1 金属热电阻传感器n测温范围： -200850n目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。n电阻和温度的关系： 23020001100tR tRAtBtCtt 当时， 2008501tR tRAtBt 当时，2.3.1 金属热电阻传感器2.铜热电阻优点：电阻值与温度的关系几乎呈线性(-50 150)；材料易提纯，价格低廉；温度系数大，灵敏度较高。2.3.1 金属热电阻传感器缺点：电阻率小，电阻体积较大；热惯性较大，稳定性较差；容易氧化。2.3.1 金属热电阻传感器n测温范围： -50 150n目前国

8、标规定的铜热电阻有Cu50和Cu100两种n电阻和温度的关系： 0501501tR tRt 当时，2.3.1 金属热电阻传感器二、热电阻的结构 热电阻的结构通常由电阻体、 绝缘体、 保护套管和接线盒四部分组成。2.3.1 金属热电阻传感器三、热电阻传感器的测量电路二线制2.3.1 金属热电阻传感器三线制四线制2.3.1 金属热电阻传感器n热电阻的端子有三种不同的连接方式： 二线式、 三线式和四线式。n二线式适用于印制电路板上， 测量回路与传感器不太远的情况。 n在距离较远时， 为消除引线电阻受环境温度影响造成的测量误差， 需要采用三线式或四线式接法。2.3.2 半导体热敏电阻传感器一、特性n温

9、度特性n伏安特性二、主要参数2.3.2 半导体热敏电阻传感器三、热电阻的特点优点：n灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级； n很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；n体积小；n热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；n结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。2.3.2 半导体热敏电阻传感器缺点：n阻值与温度的关系非线性严重；n元件的一致性差，互换性差； n元件易老化，稳定性较差；n除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。2.3.2 半导体热敏电阻传感器四、热敏电阻的应用1. 温度测量-NTC2. 温度补偿-NTC3. 温

10、度控制-NTC4. 过热保护-PTC2.3.2 半导体热敏电阻传感器n大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：100300之间测温。nPTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。nCTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。n各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。2.3.2 半

11、导体热敏电阻传感器2.4.1 热电偶测温原理n热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件。一、热电偶的特点：n测温范围宽（-2712800）n性能稳定、准确可靠n动态响应好n输出直接为电信号，可以远传和记录2.4.1 热电偶测温原理二、热电偶的分类1.按照电偶材料分类：S、B、E、K、R、J、T 七类。2.按用途和结构分类 按用途分类：普通工业型、专用型。 按结构分类：普通型、铠装型、薄膜型。2.4.1 热电偶测温原理三、测温原理热电偶的测温原理基于热电效应。2.4.1 热电偶测温原理n热电效应：将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生一个电势，通常我们将这

12、种现象称为热电效应。n两极、两端。n热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：接触电势和温差电势。2.4.1 热电偶测温原理1.接触电势n接触电势：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。n接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。接触电动势EAB(T) 可表示为：( )( )1( )AABBNTkTETneNT2.4.1 热电偶测温原理2.温差电势n温差电势温差电势：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。n机理机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端

13、因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。2.4.1 热电偶测温原理导体A上的温差电势EA(T,T0)的表达式为：001( ,)( ) ( )TAATAKE T Td NT TeNT2.4.1 热电偶测温原理3.热电回路的热电势 EAB(T, T0)=EAB(T)EB(T,T0)EAB(T0)EA(T,T0) 2.4.1 热电偶测温原理结论：n两热电极相同时，总电动势为0。n两接点温度相同时，总电动势为0。n影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸、材料中间各处的温度等无关。2.4.1 热电偶测温原理n当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T,T0)成为温度T和T0的函数差

14、，即:00( ,)( )()ABET Tf Tf Tn当冷端温度T0 固定时，EAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 ：0( ,)( )ABET Tf TC2.4.1 热电偶测温原理四、热电偶基本定律1.均质导体定律n热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。 n意义：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。 2.4.1 热电偶测温原理2.中间导体定律n在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。C0AB00( , )( )( )( , )ABABABEt tEtEtEt t2.4.1 热电偶测温原理

15、n应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。2.4.1 热电偶测温原理3.中间温度定律n在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和，即：00( ,)( ,)(,)ABABaABaET TET TET T2.4.1 热电偶测温原理应用：n根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。n该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中 ,利用热电偶这一性质,可对参考端温度

16、不为0的热电势进行修正。2.4.1 热电偶测温原理4.标准电极定律n两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶，如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得：0C0C0( , )( , )( , )ABABEt tEt tEt t2.4.1 热电偶测温原理意义：n通常选用高纯铂丝作标准电极n只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。2.4.2 热电极材料及常用热电偶一、热电极材料 对热电极材料的要求：1.在测温范围内，热电性质稳定，不随时间和被测介质变化而变化，物理、化学性

17、能稳定，不易被氧化或腐蚀。2.电导率高，电阻温度系数小。3.热电势随温度变化率要大，并在测温范围内接近常数。4.机械强度要高，复制性好，复制工艺简单，价格便宜。2.4.2 热电极材料及常用热电偶二、标准热电偶 热电偶名分度号 特 点 铂铑30-铂铑6 热电势小，精度高，价格高 镍铬-镍硅 铂铑10-铂 镍铬-康铜 热电势小，精度高，线性差， 价格高 热电势大，线性好，价格低 热电势大，线性差，价格低 B S K E 性能 下 降 2.4.3 热电偶的结构一、普通型热电偶接线盒热电极热端绝缘管保护管2.4.3 热电偶的结构2.4.3 热电偶的结构二、铠装热电偶2.4.3 热电偶的结构铠装热电偶的

18、优点：n测温端热容量小，动态响应快；n可弯曲安装使用；n机械强度高，抗干扰性好，可安装在结构复杂的装置上。2.4.3 热电偶的结构2.4.3 热电偶的结构三、薄膜热电偶2.4.3 热电偶的结构薄膜热电偶的特点：n热接点可以做得很小（m）；n热容量小、反应速度快（s）；n适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。 2.4.4 热电偶冷端温度补偿n为使热电偶的热电动势与被测量间呈单值函数关系，热电偶的参比端温度必须固定。n热电偶的温度-热电动势关系以及分度表是在参比端为0 C得到的。可采用以下方法处理。2.4.4 热电偶冷端温度补偿一、补偿导线法问题引出：n热电偶冷端暴露于空间，受环境

19、温度影响。n热电极长度有限（一般为3502000mm ），冷端受到被测温度变化的影响。n需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表（造价过高）。2.4.4 热电偶冷端温度补偿解决办法：n把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方。n选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线。n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。2.4.4 热电偶冷端温度补偿2.4.4 热电偶冷端温度补偿须注意的问题：1.补偿导线连接端的工作温度不能超出（0100），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

20、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。2.4.4 热电偶冷端温度补偿二、计算法（冷端温度修正法）问题引出：n热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0时的热电势-温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的。n在工业测温现场一般不能使冷端保持0。n由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，因而，智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式。2.4.4 热电偶冷端温度补偿解决办法：n由中间温度定律可知，

21、假定当热电偶的测量端和参考端温度分别为t、t0，则热电动势:00ABABABEtEttEt，0，02.4.4 热电偶冷端温度补偿2.4.4 热电偶冷端温度补偿例题：用S型热电偶测炉温时，测得参比端温度t138；测得测量端和参比端间的热电动势E(t, 38)6.465 mV，试求实际炉温。2.4.4 热电偶冷端温度补偿三、补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电动势可以补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热电势， 称为电桥补偿法。 2.4.4 热电偶冷端温度补偿000( , )( , )UABCABABABtEt tRUEt tU恒定值2.4.4 热电偶冷端温度补偿n四个桥臂的电阻R1、R2、R3为1，

22、电阻RCu在温度为20时电阻值也为12.4.4 热电偶冷端温度补偿四、冰浴法（ 0C恒温法）n在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。n这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。2.4.5 热电偶常用测温电路一、测量某点温度的基本电路补偿器温度变送器温度变送器显示仪表显示仪表显示仪表显示仪表tAB补偿导线(a)tAB补偿导线(c)tAB补偿导线(b)tAB铜导线(d)热电偶典型测温线路(a) 普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；(c) 具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路2.4.5 热电偶常用测温电路

23、n特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联， 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。2.4.5 热电偶常用测温电路二、测量两点之间的温度差2.4.5 热电偶常用测温电路三、测量平均温度特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。2.4.5 热电偶常用测温电路四、测量几点温度之和优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。2.9 集成温度传感器2.9.1 电流输出型集成温度传感器AD590n美国AD公司于70年代末推出体积仅同一只小功率高频晶体管大小的集成化半导体温度传感器AD590。2.9.1 AD590AD590集成温度传感器(a) 外形；