1、 温度传感器内容提要内容提要 在本章中，首先介绍温度的检测方法及其特点，通过对接触式温度检测（热电阻、热敏电阻、热电偶、集成温度传感器）及非接触式温度检测器（光学高温计、辐射温度计、红外温度传感器、光纤温度传感器）工作原理的分析，详细地介绍了温度测量的各种方法及应用技术。通过本章学习，要求学会利用各种测温元件实现温度的接触式和非接触式测量。3.1.1 温度与温标 温度是表征物体冷热程度的物理量，是物体内部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，是工业生产中分子无规则剧烈运动程度的标志，是工业生产中最普遍、最重要的热工参数之一。由于温度是直最普遍、最重要的热工参数
2、之一。由于温度是直接影响生产安全、产品质量、生产效率、能源使接影响生产安全、产品质量、生产效率、能源使用情况等的因素，因而对温度的检测提出了更高用情况等的因素，因而对温度的检测提出了更高的要求。的要求。为了定量地描述温度，引入一个概念为了定量地描述温度，引入一个概念温标。温标。温标是衡量物体温度的标准尺度，是温度的数值温标是衡量物体温度的标准尺度，是温度的数值表示方法，是规定温度的读数起点（零点）和测表示方法，是规定温度的读数起点（零点）和测量的基本单位。温标的种类很多，目前国际上常量的基本单位。温标的种类很多，目前国际上常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和用的温标有摄氏温标、华氏温标
3、、热力学温标和国际实用温标。国际实用温标。1.摄氏温标 摄氏温标是根据液体（水银）受热后体积膨胀的性质建立起来的。摄氏温标规定在标准大气压下纯水的冰融点为0，水沸点为100，在0100之间分一百等份，每一等份定义为1摄氏度。单位符号为，变量符号记作t。3.热力学温标热力学温标 1948年，威廉.汤姆首先提出的；热力学温标又称开氏温标；是以热力学第二定律为基础的理论温标，与物体任何物理性质无关，是国际统一的基本温标。单位符号为K，变量符号记作T。热力学温标有一个绝对零度，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，因此它又称为绝对温标。热力学第二定理的表述 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温
4、物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的)。不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。4.国际实用温标 由于热力学温标是理论温标无法付诸实用。为此需要建立一种紧密接近热力学温标的简单温标，即国际实用温标。（International practical Termperture scale of 1968）简称IPTS-68，又称国际温标。国际实用温标是用来复现热力学温标的；温标单位大小定义为水三相点（固、液、气三相并存）的热力学温度的1/273.16，其单位符号为K（
5、开尔文），变量符号记作T90。T90：1990年国际温标（ITS90）定义的国际开尔文温度。4.国际实用温标 摄氏温标与华氏温标的换算关系为：摄氏温标与华氏温标：摄氏温标与国际实用温标：3295Ftt 15.273K90Tt（3）利用导体或半导体的电阻与温度关系测温利用导体或半导体的电阻与温度关系测温 对于铂、铜等金属导体或半导体热敏电阻，其阻值随温度变化发生相应变化，根据R-t关系测量温度。如铂电阻温度计。（4）利用热辐射原理测温利用热辐射原理测温 物体辐射能随温度而变化，利用这一性质制成选择物质不与被测物质相接触而测温的辐射式温度计。如单色辐射高温计、光学高温计和比色高温计等。在温度检测系
6、统中，感受温度变化的元件称为感温元件；将温度转换成电量（如电压、电阻等）输出的仪表称为温度传感器。习惯上，按测温范围不同，将600以上的测温仪表称为高温计；把测量600以下的测温仪表称为温度计。根据感温元件与被测物质是否接触，将温度检测仪表分为接触式和非接触式两大类。3.2 接触式温度检测技术 接触式测温的方法就是使温度敏感元件与被测对象相接触，使其进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测对象的温度相等；测温传感器的输出大小即反映了被测温度的高低。常用的接触式测温仪表有将温度转化为非电量的热膨胀式；将温度转化为电量的热电偶、热电阻和热敏电阻等。接触式测温传感器的优点是结构简单、工作
7、可靠、测量精度高、稳定性好、价格低；缺点是有较大的滞后现象（测温时由于要进行充分的热交换），不方便对运动物体进行温度测量，被测对象的温场易受传感器的影响，感温元件材料的性质决定测温范围等。3.2.1 热电阻及温度检测 金属（包括合金）导体或金属氧化物半导体的电阻值随温度变化而改变，通过对其阻值的测量可以推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器。热电阻经常用来测量-200+850区间内的温度。热电阻的优点：测量范围宽、精度高、稳定性好等。反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的。温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的
8、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。测量方法：接触式测温和非接触式测温上一页上一页下一页下一页返返 回回温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。常用的非接触式测温仪表：(1)辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温计，辐射温度计，比色温度计。(2)光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。光纤温度传感器，光纤辐射温度计。优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物 体为运动物体时尤为适用。缺点：精度一般不高。上一页上一页下一页下一页返返 回回由特定的测温质和测温量所确定的温标 华氏温标17
9、14年德国人华伦海特(Fahrenheit)以水银的体积随温度而变化为依据，制成了玻璃水银温度计，并规定了氯化氨和冰的混合物为00F，水的沸点为2120F,冰的熔点为320F,在沸点和冰点之间等分为180份，每份为华氏1度(10F)。上一页上一页下一页下一页返返 回回 PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻临界温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物在弱还原气氛中混合烧结而成。在某个温度上电阻值急剧变化,具有开关特性。用途：温度开关 上一页上一页下一页下一页返返 回回所以，为满足光在
10、光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角i应满足热电丝材料为铁-康铜，既可用于氧化性气体，也可用于还原性气体，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工。其中E2PROM存放高低温报警触发器TH、TL和配置寄存器。(b)偏振调制光纤传感器薄膜型热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上的温度测量；（a）外形 （b）符号这里就以LM35介绍电压输出型集成温度传感器的应用。温标的种类很多，目前国际上常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。图中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地。热电丝材料为铁-康铜
11、，既可用于氧化性气体，也可用于还原性气体，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工。2 热电偶的基本定律（2）DS18B20的封装形式及内部结构光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。基于图3-33的DS18B20测温程序见附录2。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。国产WFT-202型辐射温度计的结构图热电偶的冷端处理和补偿:线性度好：在整个测温范围内非线性误差小于0.光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。勒夏特列/勒夏特利埃（Le Chatelier,Henri Louis），法国化学家。上一页上一页下一页下一页返返 回回TT
12、BABABAABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)T,T(e)T,T(e)T(e)T(e)T,T(e)T(e)T,T(e)T(e)T,T(E000000000 由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。上一页上一页下一页下一页返返 回回),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBAAB
13、为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB上一页上一页下一页下一页返返 回回 测量范围：0600，固定螺纹式。热电丝材料为铁-康铜，既可用于氧化性气体，也可用于还原性气体，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工。光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于8000C时，光学高温计对亮度无法进行平衡。光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。上一页上一页下一页下一页返返 回回原
14、理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。特点：准确度高，响应快，可观察小目标(最小可到2mm)。因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。上一页上一页下一页下一页返返 回回（2）热电阻材料）热电阻材料 目前使用纯金属材质的有铂（Pt）、铜（Cu）、镍（Ni）和钨（W）等；合金材质的有铑铁及铂钴等。工业中应用最广的金属热电阻是铂电阻和铜电阻。它们随温度变化的曲线如图3-1所示。（3）常用热电阻 1）铂
15、热电阻。）铂热电阻。使用测温范围为-200+850，有Pt10（电阻值为10）和Pt100（电阻值为100）两种。Pt10热电阻感温元件是用较粗的铂丝绕制而成，主要用于650以上测温区。Pt100热电阻主要用于650以下测温区。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。2）铜热电阻。）铜热电阻。使用测温范围为-40+140，有Cu50（电阻值为10）和Cu100（电阻值为100）两种。铜热电阻线性好，价格低，但电阻率低，因而体积大，热响应慢。图3-35 亮度平衡示意图单位符号为，变量符号记作t。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。2）穿透云雾的能力强热电
16、偶的冷端处理和补偿:LED数码显示由MC14433的位选信号DS1DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“”、“”温度的显示。图3-26中，运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。辐射高温计测量的温度称为辐射温度（TF），被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。图3-26中，运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。热力学温标又称开氏温标；（1）红外辐射俗称红外线 infrared ray0l000m 之间。为了定量地描述温度，引入一个概念温标。（a）：1云母基片；工业中应用最广的金属热电阻是铂电阻和铜
17、电阻。高温以外的情况下可使用K、E、J和T型热电偶，即测量温度为1000时选用K型热电偶，测量温度为700以下选用E型热电偶，测量温度为600左右选用J型热电偶，测量温度为300以下选用T型热电偶即可。LED数码显示由MC14433的位选信号DS1DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“”、“”温度的显示。这里就以LM35介绍电压输出型集成温度传感器的应用。器件本身与外壳绝缘。另一种，LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，其输出电压与摄氏温度线性成比例。（1）热敏电阻材料 热敏电阻材料按温度特性可分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（
18、NTC）热敏电阻和临界温度系数（CTC）热敏电阻三类。它们随温度的变化关系曲线如图3-6所示。图3-6 半导体热敏电阻特性3）热电阻感温元件的结构（a）装配式热电阻 （b）铠装式热电阻2.热电阻测温电路 （1）四线测温电路）四线测温电路 为了消除热电阻测温电路中电阻体内导线以及连线引起的误差，热电阻体采用四线连接方式，如图3-3所示。这样方便对电阻温度计进行校正，获得高精度的测量结果。图中，RX为热电阻，G为检流计或微电流检测器，R为固定电阻，R1R4为平衡调节电阻。（3）二线测温电路 这种接线方式配线简单，安装费用低，但不能消除连线电阻随温度变化引起的误差，不适用于高精度测温场合使用，而且，
19、应确保连线电阻值远低于测温的热电阻值。热敏电阻各种材料的使用温度范围如表3-3所示。（2）热敏电阻的外形及应用领域 常用热敏电阻的外形如图3-7所示（a）（b）（c）（d）（e）图3-7 常用的热敏电阻的外形（a）玻璃罩式；（b）垫圈式；（c）圆片式；（d）棒状；（e）片式 热电动势是由接触电动势和温差电动势两部分组成，其大小与两端点的温差有关，还与所采用的材料性质有关。实验和理论都表明，在A、B间接入第三种材料C，只要结点2、3温度相同，则和2、3直接连接时的热电动势一样。这样可以在热电偶回路中接入电位计，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式如
20、图39（a）、（b）所示。这一点很重要，它为热电偶测量时接测量引线带来方便。显然，利用热电偶这一特性做成测温计，但要求材料的热性能要稳定、电阻率小、电导率高、热电效应强、复制性好。2.热敏电阻测温电路 热敏电阻测温电路的基本连接方式如图3-8所示。图3-8 热敏电阻的基本测温电路 图3-8（a）是一个热敏电阻RT与一个电阻RS的并联方式，这可简单构成线性电路，若在50以下的范围内，其非线性可抑制在1以内，并联电阻RS的阻值为热敏电阻RT的阻值RRT的0.35倍。图3-8（b）、（c）为合成电阻方式，温度系数小，适用于宽范围的温度测量，测量精度也较高。图3-8（d）为比率式，电路构成简单，具有较
21、好的线性。（a）（b）（c）（d）3.2.3 热电偶及温度检测 1.热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电偶是由两种不同的导体热电偶是由两种不同的导体A和和B组成闭合回路构成，如组成闭合回路构成，如图图3-9所示。所示。（b）电 位 计 接 入 方 式 2（a）电 位 计 接 入 方 式 1 图3-9 热电偶结构示意图 导体A和B称为热电极，通常把两热电极的一个端点固定焊接，用于对被测介质进行温度测量，这一接点称为测量端或工作端，俗称热端；两热电极另一接点处通常保持为某一恒定温度或室温，被称作基准点或参考端，俗称冷端。若将热电偶的两端分别放在温度不同的环境中（T0和T），则在热电偶回路中将产生
22、电流，即可实现温度的测量。热电偶回路中产生的电流所对应的电动势称为热电动势。这种由两种不同导体组成的热电偶的热电动势一般情况和两端点温度T、T0都有关。若使T0为给定的恒定温度，如取为0，则热电动势仅为T端温度T的单值函数。（3-1）)(0)()()(),(0AB0ABTTfTfTeTTE辐射式光纤温度传感器由于热力学温标是理论温标无法付诸实用。接触式测温的方法就是使温度敏感元件与被测对象相接触，使其进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测对象的温度相等；在温度检测系统中，感受温度变化的元件称为感温元件；（a）：1云母基片；实用化的大都是非功能型的光纤传感器。1温度传感器分为接触式
23、和非接触式两类，试分别说明各自的传感器机理。被测物对红外光进行吸收、反射和透射后，使红外光发生了变化，此变化与被测物的某些参数有关，由此实现检测。基于图3-33的DS18B20测温程序见附录2。热电阻经常用来测量-200+850区间内的温度。RP2用于满量程调整，当温度为150时，调整RP2，使输出频率f0为1500Hz。镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）热电偶是贵重金属热电偶中最稳定的一种，用途很广，可在01000（短时间可在1300）下使用，误差不大于1，其线性度较好。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，并以二进制补码读数形式输出。若水多则冰就会漂浮在水上，则结点就会置于水中，这时也不是
24、冰点状态。适当调整红外传感器的工作点。图3-41（a）是电动机表面温度测量示意图。采用补偿导线要注意以下两点：其中滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。器件本身与外壳绝缘。以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物在弱还原气氛中混合烧结而成。2.热电偶的材料及特性参数（1）热电偶的材料）热电偶的材料 常见的热电偶有铂铑-铂热电偶、镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）热电偶和铜-康铜热电偶。铂铑-铂热电偶用于较高温度的测量，测量范围为01800时，误差为15。镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）热电偶是贵重金属热电偶中最稳定的一种，用途很广，可在01000（短时间可在1300）下使用，误差不大于1，其线性度较好。
25、但这种热电偶不易做的均匀，误差比铂铑-铂大。铜-康铜热电偶用于较低的温度（0400）具有较好的稳定性，尤其是在0100范围内，误差小于0.1。（2）标准热电偶）标准热电偶国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。由表3-4可知，B、R、S和K型热电偶适应氧化性环境，以及还原性环境；E、J和T型热电偶适应还原性环境，而不适应氧化性环境，因此，要根据使用场所与周围环境选用热电偶，并将其放在保护管内使用。B、R和S型热电偶的线性度较差，但稳定、蠕变小，而且可靠性高，因此，适合高温情况下使用，在低温时也可用作标准热电偶。高温以外的情况下可
26、使用K、E、J和T型热电偶，即测量温度为1000时选用K型热电偶，测量温度为700以下选用E型热电偶，测量温度为600左右选用J型热电偶，测量温度为300以下选用T型热电偶即可。（3）热电偶的结构形式及安装工艺 1）热电偶的结构形式。）热电偶的结构形式。在工业生产中，热电偶有各种结构形式，如图3-10所示。最常用的有普通型、铠装型和薄膜型热电偶。其中，普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度；铠装型热电偶具有热容量小、动态响应快、机械强度高、挠性好、耐高压和耐冲击等特点，应用更为普遍。图3-10 热电偶的外形 在安装中常采用直插、斜插（45角）等插入方式，如管道较细，宜采用斜插。在
27、斜插和管道肘管（弯头处）安装时，其端部应对着被测介质的流向（逆流），不要与被测介质形成顺流。几种插入方式安装如图3-12所示。图3-12 热电偶插入方式1垫片；245角连接头；3直形连接头 在测炉膛温度时，应避免热电偶与火焰直接接触，避免安装在炉门旁或与被加热物体距离过近之处。在高温设备上测温时，应尽量垂直安装；热电偶的接线盒引出线孔应向下，以防密封不良而使水汽、灰尘与脏物落入，影响测量精度；为减少测温滞后，可在保护外套管与保护管之间加装传热良好的填充物，如变压器油（150）或铜屑、石英砂（150）等。薄膜型热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，
28、可用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测快速变化的表面温度。片状薄膜型热电偶如图3-11所示，它采用真空蒸镀法将两种电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氯化硅薄膜作为绝缘和保护层。图3-11 铁镍薄膜热电偶2）热电偶的安装工艺 为确保测量的准确性，应根据工作压力、温度、介质等方面因素，选择合理的热电偶结构和安装方式；选择测温点要具有代表性，即热电偶的工作端不应放置在被测介质的死角，应处于管道流速最大处；要合理确定插入深度。一般管道安装取150200mm，设备上安装取小于等于400mm；管道安装通常使工作端处于管道中心线1/3管道直径区域内。3.热电偶的应用技术 热电偶使用时有两种温度
29、，一种是常用温度，另一种是过热温度。常用温度是在空气中连续使用时的温度，过热温度是短时间使用的温度。热电偶的使用温度与线径有关，线径越粗使用温度越高。热电偶使用温度与线径之间的关系如表3-5所示。利用被测物体辐射的红外线实现检测的技术就是红外检测技术。AD590用于测量热力学温度的基本电路如图3-24所示。8画出用3支热电偶共用一台仪表分别测量T1、T2和T3的测温电路。暂存存储器包含了8个连续字节，其分布如表3-9所示。图3-48 半导体光吸收端的温度变化 图3-49 光吸收式光纤温度传感器的结构它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。（a）外形 （b）符号因为
30、实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。图中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地。暂存存储器包含了8个连续字节，其分布如表3-9所示。根据辐射源的几何尺寸的大小及距探测器的远近，分为点源和面源。集成温度传感器是利用晶体管PN结的正向压降随温度升高而降低的特性，将晶体管的PN结作为感温元件，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。1）热电偶的结构形式。在安装中常采用直插、斜插（45角）等插入方式，如管道较细，宜采用斜插。以MCS-51系列单片机为
31、例，DS18B20与8031的典型连接如图3-33（a）所示。（a）表面温度测量示意图 （b）内部原理结构1）64位光刻ROM。工业中应用最广的金属热电阻是铂电阻和铜电阻。被测物对红外光进行吸收、反射和透射后，使红外光发生了变化，此变化与被测物的某些参数有关，由此实现检测。光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。)T(f)T(fdt)()T(edt)()T(e)T,T(ETTBAABTBAABAB00000热电势是热电势是T和和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。的温度函数的差，而不是温度的函数。当当T0=0时，时，f(T0)=0则有：则有：)(),(0T
32、fTTEABE与与T之间有唯一对应的单值函数关系，之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体热电偶热电势的大小，只是与导体A和和B的材料有关，的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。上一页下一页返 回6.3.2 热电偶的基本定律1.匀质导体定律2.中间导体定律3.连接导体定律上一页下一页返 回2.中间导体定律在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势
33、不受中间导体接入的影响。上一页下一页返 回 对于在管道公称直径DN80mm的管道上安装热电偶时，可以采用扩大管，其安装方式如图3-13所示。图3-13 热电偶在扩大管上的安装1垫片；245角连接头；3扩大管1.1.匀质导体定律匀质导体定律 由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。上一页下一页返 回3.3.连接导体
34、定律连接导体定律),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBAAB为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB上一页下一页返 回 例6.3.1 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E（30，0）=0.173 mV mVTTEn5.7），（mVETETE673.7173.05.7)0,30(300
35、），（），（反查分度表有反查分度表有T=830T=830，测量端实际温度为，测量端实际温度为830830上一页下一页返 回 由表3-5可知，线径越粗即使在高温环境中其耐久性也非常强，因此，在高温而较长时间进行温度测量时，要选用线径尽量粗的热电偶。但线径越粗响应时间会变长，因此，在对响应时间要求短，或测量距离较短时，可选用线径较细的热电偶。6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿:当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定
36、的地方，再考虑将冷端处理为。上一页下一页返 回表3-5 热电偶使用的温度与线径的关系5s，有峰值、平均值显示及保持功能，可与计算机串行通信。因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，仪表电源采用3V干电池，安装于仪表下部手柄内。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。非接触式温度检测技术主要应用于冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中的高温检测。梯度型(也称渐变型)，802mV，试求炉温t为多少?光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。0/20mA的电流脉冲列直接驱动TLP501，HC14输出f0为2
37、01500Hz的TTL电平的频率信号，接到F/V转换器或者计数器进行必要的处理。常用热敏电阻的外形如图3-7所示由于温度是直接影响生产安全、产品质量、生产效率、能源使用情况等的因素，因而对温度的检测提出了更高的要求。图3-20 热电偶并联测量电路一般情况下，传感器有一个最佳工作点。单位符号为，变量符号记作t。光纤温度传感器主要是功能型，利用多种光学效应在光纤受到外界温度的影响时，会使在光纤中传输的某些光参数发生变化，即可得到温度值。另一种，LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，其输出电压与摄氏温度线性成比例。采用补偿导线要注意以下两点：以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物在弱
38、还原气氛中混合烧结而成。2 热电偶的基本定律热力学温标又称开氏温标；（2）基准结点及补偿 1）基准结点。由上述原理可知，热电偶输出的热电势由其冷热两个结点间温度T0和T差值决定，这样要获得正确的测量结果，就需要设置基准结点。通常选用冷结点（T00）作为基准结点。2）对基准温度结点的补偿。理想基准结点要求温度保持恒定。但实际应用中，由于热电偶的冷、热端距离通常很近，冷端（接线盒处）又暴露于空间，受到周围环境温度波动的影响，冷端温度很难保持恒定，保持在0更难。因此必须采取措施，常用的方法有以下几种：补偿导线法。被测点与基准结点之间距离相当长时，热电偶端子到基准结点间可用导线连接，这种导线称为补偿导
39、线。补偿导线随使用的热电偶及其构成材料的不同而不同，它要与各自对应的热电偶组合使用。补偿导线的结构如图3-14所示。图3-14 补偿导线的结构 使用时热电偶的“”端要接补偿导线的“”（A）侧芯线，热电偶的“”端要接补偿导线的“”（B）侧芯线，如图3-15所示。图3-15 接有补偿导线的测量电路（a）用于冰点式基准结点场合；（b）用于室温式基准结点场合 采用补偿导线要注意以下两点：其一，热电偶的长度由补偿结点的温度决定。热电偶长度与补偿导线长度要最佳配合，例如，热电偶长50cm，补偿导线5m为宜。热电偶与补偿导线结点（这点称为补偿结点）的温度不能超过补偿导线的使用温度。若测温结点温度高于补偿结点
40、温度时，热电偶就需要延长，使补偿结点远离测温区，从而保证了补偿导线在规定的温度范围内使用。反之，测温结点温度低，热电偶可缩短。其二，热电偶与计量仪器之间增加一个温度结点（补偿结点），误差要尽可能地小。为此，结点要紧靠，做到不产生温差。机械零位调整法。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，对测量准确度要求不高时，可在仪表未工作前将仪表机械零位调至冷端温度处。由于外线路电势输入为零，调整机械零位相当于预先给仪表输入一个电势E（T0，0）。当接入热电偶后，外电路热电势E（T，T0）与表内预置电势E（T0，0）叠加，使回路总电势正好为E（T，0），仪表直接指示出热端温度T。在用此
41、方法时，应先将仪表电源和输入信号切断，再将仪表指针调整到进行T0刻度处。当冷端温度变化时，应及时修正指针位置。这种方法操作简单，在工业上普遍采用。冰浴法。将热电偶的冷端延长到装有冰水混合液的瓶中，基准结点与连接热电偶和计量仪器的导线接在一起，如图3-17所示。由于冰水保持热平衡，因此，基准结点就保持在冰点（0），它消除了t0不等于0而引入的误差。图3-17 冰浴法接线图1被测流体管道；2热电偶（测温结点）；3接线盒；4补偿导线；5铜导线；6毫伏表；7冰瓶；8冰水混合物；9试管；10新冷端（基准结点）电桥补偿法。电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，
42、可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡温度上。如图3-16所示。1热电偶；2补偿导线；3铜导线；4指示仪表；5冷端补偿器 可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。冰浴法要使用洁净的饮用水，瓶中要保持水与冰处于良好的平衡状态。长时间使用时热电偶周围的冰就会溶解，若水少则冰中出现空隙，在结点周围会有空气侵入，这时就不是冰点状态；若水多则冰就会漂浮在水上，则结点就会置于水中，这时也不是冰点状态。因此，需要经常检查，随时补充水。为了避免插入深度不同引起的误差，热电偶浸入冰水的长度要足够长。为了避免冰水导电引起T0处的连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管中。由于冰融化较快，所以这种方法常用于实
43、验室温度测量及温度计校准等要求精度较高的场合。计算修正法。当热电偶的基准结点温度T00时，所测得的热电势值与基准结点温度为0时的值ET（T，0）不等，可用下式进行修正 式中：E0（T0，0）为基准结点温度T00时产生的热电势值。这种方法适合于微机检测系统，即通过其它方法将采集到的T0输入微机，用软件进行处理，可实现检测系统的自动补偿。4.热电偶实用测量电路（1）测量某点温度的基本电路）测量某点温度的基本电路 热电偶直接和仪表配用的测温电路如图3-18所示。图3-18 热电偶基本测温电路（2）热电偶反向串联电路）热电偶反向串联电路 将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，反向串联连接，如图3-1
44、9所示。图中A、B是与测量热电偶热电性质相同的补偿导线，电路中两热电势反向串联，仪表可测得T1 和T2 之间的温度差值。图3-19 热电偶反向串联测量电路（3）热电偶并联电路 用几个同型号的热电偶并联在一起，在每一个热电偶线路中分别串联均衡电阻R，并要求热电偶都工作在线性段，如图3-20所示。根据电路理论，当仪表的输入阻抗很大时，回路中总的热电势等于热电偶输出电势之和的平均值，即3/321TEEEE图3-20 热电偶并联测量电路（4）热电偶串联电路 热电偶串联电路如图3-21所示。用几个同型号的热电偶依次将正负相连，回路总的热电势为 这种电路输出电势大，可感应较小的信号。但只要有一个热电偶断路
45、，总的热电势消失；若热电偶短路，将会引起仪表值的下降。321TEEEE图3-21 热电偶多点温度求和电路5热电偶的定期校验 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图3-22为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见表3-6所示。图3-22 热电偶校验图1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管3.2.4 集成温度传感器及温度检测 集成温度传感器是利用晶体管PN结的正向压降随温度升高而降低的特性，将晶体管的PN结作为感温元件，把敏感元件、放
46、大电路和补偿电路等部分集成，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它与半导体热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点，虽然由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测1500C以下的温度，但在低温测量领域仍得到了广泛的应用。下面主要介绍常用的集成温度传感器AD590、LM35和智能温度控制器DS18B20的应用。1.AD590及其应用AD590是美国模拟器件公司生产的单片电流型两端集成温度传感器，其表征为一个输出电流与温度成比例的电流源。AD590共有I、J、K、L、M五档，在出厂前已经校准，其中M档精度最高/I档最低，在测温范围
47、内的非线性误差M档小于0.3/I档小于10，I档在应用时需校正。AD590的主要特征如下：线性电流输出：流过器件电流的微安数等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。即1A/K；测温范围宽：-55+150；二端器件：电压输入，电流输出；精度高：0.5（AD590M）；线性度好：在整个测温范围内非线性误差小于0.3（AD590M）；工作电压范围宽：430V。电源由5V变到10V时，最大只有lA的电流变化，相当于1的等效误差。可以承受44V的正向电压和20V的反向电压，因而不规则的电源变化或管脚反接也不会损坏器件；功耗低：1.5mW+5V+25；输出阻抗高：710M。长线上的电阻对器件工作影响不
48、大，用绝缘良好的双绞线连接，可以使器件在距电源25m处正常工作。高输出阻抗又能极好地消除电源电压漂移和纹波的影响；器件本身与外壳绝缘。由上述特性可知AD590具有：单电源工作、精度高、抗干扰能力强，特别适于进行运动测量。1.AD590及其应用 AD590是美国模拟器件公司生产的单片电流型两端集成温度传感器，其表征为一个输出电流与温度成比例的电流源。AD590共有I、J、K、L、M五档，在出厂前已经校准，其中M档精度最高/I档最低，在测温范围内的非线性误差M档小于0.3/I档小于10，I档在应用时需校正。AD590的主要特征如下：线性电流输出：流过器件电流的微安数等于器件所处环境的热力学温度（开
49、尔文）度数。即1A/K；测温范围宽：-55+150；二端器件：电压输入，电流输出；精度高：0.5（AD590M）；线性度好：在整个测温范围内非线性误差小于0.3（AD590M）；（2）AD590的外形和基本测温电路 AD590采用金属壳3脚封装。其中，1脚为电源正端V+，2脚为电流输出端V-，3脚为管壳，一般不用。其外形和符号如图3-23所示。（a）外形 （b）符号图3-23 AD590外形与符号热敏电阻测温电路的基本连接方式如图3-8所示。若测温结点温度高于补偿结点温度时，热电偶就需要延长，使补偿结点远离测温区，从而保证了补偿导线在规定的温度范围内使用。（5）DS18B20使用中注意事项CT
50、R热敏电阻临界温度系数其中滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。低五位一直都是“1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在进行DS18B20硬件连接和软件设计时要综合考虑。图3-7 常用的热敏电阻的外形实验和理论都表明，在A、B间接入第三种材料C，只要结点2、3温度相同，则和2、3直接连接时的热电动势一样。各部分的结构、作用和工作方
