第11章溫度測量11.2熱電偶11.3熱電阻和熱敏電阻11.4集成溫度傳感器AD59011.1概述編輯ppt第三篇常見過程參數的測量過程控制系統至少包括被控對象〔或稱被控過程〕、檢測裝置〔包括傳感器和變送器〕和控制器〔或調節器〕以及執行機構四個根本局部。檢測裝置將被測參數如溫度、壓力、流量、液位以及成分量等檢測出來，并變換成相應的統一標準信號，系統顯示、記錄或進行下一步的調整控制作用。檢測裝置實際上包括兩局部內容，首先是將被控參數檢測出來，然后變送器將其變換成統一標準信號。編輯ppt11.1概述

溫度是表征物體冷熱程度的一種物理量，是工業生產和科學實驗中最普遍、最重要的熱工參數之一。

溫度不能直接進行測量，只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質隨冷熱程度不同而變化的特性，來進行間接的測量。

根據測溫的方式可以分為接觸式測溫法與非接觸式測溫法兩大類。編輯ppt11.1概述11.1.1溫度測量方法⑴接觸式測溫接觸式溫度測量的特點是感溫元件直接與被測對象相接觸，兩者進行充分的熱交換，最后到達熱平衡，此時溫度計的示值就是被測對象的溫度。以接觸式方法測溫的常用溫度計有玻璃溫度計、壓力溫度計、雙金屬溫度計、熱電偶以及熱電阻等接觸式溫度測量特別適合以下，熱容大，無腐蝕性對象的連續在線測溫。編輯ppt11.1概述⑵非接觸式測溫非接觸式溫度測量的特點是感溫元件不與被測對象直接接觸，而是通過接受被測物體的熱輻射能實現熱交換，據此測出被測對象的溫度。非接觸式測溫具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設計得很高，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度等優點。為了保證溫度量值的準確并利于傳遞，需要建立一個衡量溫度的統一尺度，即溫標。它規定了溫度的讀數起點〔零點〕和測量溫度的根本單位。編輯ppt11.1概述1.經驗溫標根據某些物質的體積膨脹與溫度的關系，用實驗方法或經驗公式所確定的溫標稱為經驗溫標。①華氏溫標華氏溫標規定在大氣壓下純水的冰點為32度，沸點為212度，中間劃分為180等份，每一等份為1華氏度.②攝氏溫標攝氏溫標將標準大氣壓下水的冰點定為零度，水的沸點定為100度，在0-100之間劃分了100等份，每一等份為1攝氏度，用符號t表示。11.1.2溫度的單位編輯ppt11.1概述攝氏溫標與華氏溫標的關系為 〔11-1〕⒉熱力學溫標1848年由開爾文提出的以卡諾循環為根底建立的熱力學溫標，是一種理想而不能真正實現的理論溫標，它是國際單位制中七個根本物理單位之一。它與攝氏溫度之間的關系為〔11-2〕單位是開，記為K。編輯ppt11.1概述3.絕對氣體溫標從理想氣體狀態方程入手，復現的熱力學溫標稱為絕對氣體溫標，由波義爾定律，有

〔11-3)式中，為P一定質量的氣體的壓強；為V該氣體的體積；為R普適常數；為T熱力學溫度。當氣體的體積為恒定時，其壓強就是溫度的單值函數 〔11-4〕

這種比值關系與開爾文給出的熱力學溫標的比值關系完全類似。因此假設用同一固定點〔水的三相點〕來作參考點，兩種溫標在數值上就完全相同。上式就是理想氣體的溫標方程。編輯ppt11.1概述⒋國際溫標根據國際溫標規定：熱力學溫度是根本溫度，用符號T表示，單位是開，記為K。它規定水的三相點熱力學溫度〔即固態、液態、氣態三相共存時的平衡溫度〕為273.16K，定義1K〔開爾文1度〕等于水的三相點熱力學溫度的1/273.16。通常將比水的三相點溫度低0.01K的溫度規定為攝氏零度，它與攝氏溫度之間的關系為〔11-5〕溫度量程的分段與內插方程。攝氏溫度與熱力學溫度之間的關系仍如式〔11-5〕所示，可記為〔11-6〕編輯ppt11.1概述11.1.3溫度測量儀表的分類

溫度測量范圍廣，測溫儀表的種類很多。按工作原理分，有膨脹式、熱電阻、熱電偶以及輻射式等；按測量方式分，有接觸式和非接觸式兩類。按溫度范圍范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測量。超低溫一般是指0-10K，低溫指10-800K，中溫指，高溫指，以上被認為是超高溫。編輯ppt測溫方式類別典型儀表名稱測溫原理測量范圍

接觸式測溫儀表膨脹式雙金屬溫度計固體熱膨脹變形量隨溫度變化壓力式溫度計氣體、液體在定容條件下，壓力隨溫度變化玻璃管液體溫度計液體熱膨脹體積量隨溫度變化電阻類熱電阻金屬或半導體電阻值隨溫度變化熱電類熱電偶熱電效應表11-1常用測溫儀表編輯ppt測溫方式類別典型儀表名稱測溫原理測量范圍

其它電學類石英晶體溫度計晶體的固有頻率隨溫度變化集成溫度傳感器半導體器件的溫度效應非接觸式測溫儀表光電亮度溫度傳感器物體單色輻射強度及亮度隨溫度變化全輻射溫度傳感器物體全輻射能隨溫度變化部分輻射溫度傳感器限于特定部分光譜范圍工作內輻射能隨溫度變化光電比色溫度傳感器兩個波長的亮度比隨溫度變化編輯ppt11.2熱電偶在溫度測量中雖有許多不同測量方法，但利用熱電偶作為測溫元件應用最為廣泛，其主要優點為：①結構簡單，其主體實際上是由兩種不同性質的導體或半導體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的。②具有較高的準確度。③測量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測到，高溫可測到達左右，配以特殊材料的熱電極，最低可測，最高可達的溫度。④具有良好的敏感度。⑤使用方便。編輯ppt11.2熱電偶 兩種不同材料的導體或半導體A、B串接成一個閉合回路，并使結點1和2處于不同的溫度T、，那么回路中會存在熱電勢，因而就有電流產生，這一現象稱為熱電效應。11.2.1熱電效應圖11-1

熱電偶回路編輯ppt11.2熱電偶圖11-2

溫差電勢一、熱電勢的產生

熱電偶產生的熱電勢是由兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢組成的。熱電偶的溫差電勢只與熱電極的材料和兩結點的溫度有關，而與熱電極的幾何尺寸無關。

編輯ppt11.2熱電偶⒈單一導體的溫差電勢

在一根勻質的導體中，如果兩端溫度不同，那么在導體的內部也會產生電勢，這種電勢稱為溫差電勢。記為〔11-7〕A、B的溫差電動勢分別為：編輯ppt11.2熱電偶圖11-3接觸電勢接觸電勢：⒉兩種導體的接觸電勢接觸電勢與接觸點溫度有關，與材料有關。編輯ppt11.2熱電偶⒊熱電偶回路總熱電勢由A、B兩種不同導體組成熱電偶回路中，如果兩個接觸點的溫度和兩個導體的電子密度不同，假設，回路中的總電勢〔11-8〕編輯ppt11.2熱電偶二、熱電偶根本定律⒈均質導體定律由一種均質導體〔或半導體〕組合的閉合回路，不管導體〔或半導體〕的截面和長度如何以及各處的溫度如何，都不能產生熱電勢。由均質導體A組成的閉合回路如下：圖11-4

均質導體回路編輯ppt11.2熱電偶所以，回路中總熱電勢在實際應用中要注意以下幾點：①任何熱電偶都必須由兩種性質不同的導體構成。②如果熱電偶由兩種均質導體組成，那么熱電偶的熱電勢僅與兩接點溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。在閉合回路中，由于材料相同，即兩接點，接觸電勢為零：即

由于導體A兩端溫度不同，故有溫差電勢產生，但回路中兩支路溫差電勢大小相等，方向相反，回路中總溫差電勢為零，即

編輯ppt11.2熱電偶⒉中間導體定律中間導體定律是指，在熱電偶回路中，只要中間導體兩端的兩端溫度相同，那么接入中間導體后，對熱電偶回路的總熱電勢無影響。該表達可表示為：〔11-9〕

編輯ppt11.2熱電偶圖11-5

有中間導體的熱電偶回路編輯ppt11.2熱電偶所以

因為以圖11-5a為例進行分析編輯ppt11.2熱電偶在圖11-5b中因為

所以

編輯ppt11.2熱電偶⒊標準電極定律標準電極定律是指：如果將導體C〔熱電極，一般為純鉑絲〕作為標準電極，并標準電極與任意導體配對時的熱電勢，那么在相同結點溫度〔、〕下，任意兩導體A、B組成的熱電偶，其熱電勢可由下式求得：〔11-10〕—結點溫度為—結點溫度仍為與標準電極C組成熱電偶時產生的熱電勢。，由導體A、B組成熱電偶時產生的熱電勢；編輯ppt11.2熱電偶圖11-6

標準電極定律編輯ppt11.2熱電偶⒋連接導體定律和中間溫度定律

連接導體定律指出，在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別與連接導線A'、B'相連接，結點溫度分別為，那么回路的熱電勢將等于熱電偶的熱電勢

與連接導線A'、B'在溫度

時的熱電勢

的代數

和，即

〔11-11〕連接導體定律是工業上運用補償導線進行溫度測量的理論根底。編輯ppt11.2熱電偶

當A與A'，B與B'材料分別相同且結點溫度為

時，根據連接導體定律得該回路的熱電勢，圖11-7

連接導體定律

〔11-12〕編輯ppt11.2熱電偶說明,熱電偶在結點溫度為就等于熱電偶在〔〕，〔〕時相應的熱電勢與的代數和，這就是中間溫度定律，稱為中間溫度。時，熱電勢其中

中間溫度定律為熱電偶制定分度表提供了理論依據，根據這一定律只要列出參考溫度為

時的熱電勢—溫度關系，那么參考溫度不等于

的熱電勢就可按上式求出。編輯ppt11.2熱電偶一、熱電偶的材料對熱電偶的電極材料主要要求是：①配制成的熱電偶應具有較大的熱電勢，并希望熱電勢與溫度之間成線性關系或近似線性關系。②能在較寬的溫度范圍內使用，并且在長期工作后物理化學性能與熱電性能都比較穩定。③電導率要求高，電阻溫度系數要小。④易于復制，工藝簡單，價格廉價。二、熱電偶的型號⑴標準化熱電偶國際電工委員會〔IEC〕推薦的工業標準熱電偶為八種，我國均已采用。11.2.2熱電偶的材料、型號及結構編輯ppt11.2熱電偶工業標準化熱電偶，工藝成熟，應用廣泛，性能良好穩定，能成批生產，同一型號可以互換，統一分度，并有配套顯示儀表。工作端溫度高于參考端時，前一導體為熱電勢的正極，后一種為負極，即前者材料的電子密度大于后者。⒈鉑銠10-鉑熱電偶〔分度號S〕⒉鉑銠30-鉑銠6熱電偶〔分度號B)⒊鉑銠13-鉑熱電偶〔分度號R)⒋鎳鉻-鎳硅熱電偶〔分度號K〕⒌鎳鉻-康銅熱電偶〔分度號E〕⒍鎳鉻硅-鎳硅熱電偶〔分度號N〕⒎銅-康銅熱電偶〔分度號T〕⒏鐵-康銅熱電偶〔分度號J〕編輯ppt11.2熱電偶⑵非標準化熱電偶除了上述標準熱電偶之外，在某些特殊條件下，例如超高溫、超低溫等，也應用一些特殊熱電偶，因目前還沒有到達國際標準化程度，非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表。銥銠40-銥熱電偶是當前唯一能在氧化氣氛中測到高溫的熱電偶，因此成為宇航火箭技術中的重要測溫元件范圍內使用。鎳鉻-金鐵是一種較為理想的低溫熱電偶，可在編輯ppt11.2熱電偶

此外，利用石墨和難熔化合物這些非金屬材料熔點高，在

以上高溫條件下性能穩定的特點，作為高溫熱電偶材料可以解決金屬熱電偶材料無法解決的問題。目前已研制出碳—石墨、石墨-碳化硅、石墨-碳化鉬以及硼化碳-碳等非金屬熱電偶。三、熱電偶的結構：⒈普通熱電偶工業上常用的普通熱電偶的結構由熱電極1、絕緣套管2〔防止兩個熱電極在中間位置短路〕、保護套管3〔使熱電極免受化學侵蝕及機械損傷〕、接線盒4〔連接導線通過接線盒與熱電極連接〕、接線盒5〔防止灰塵、水分及有害氣體進入保護套管內〕組成。編輯ppt11.2熱電偶普通熱電偶主要用于氣體、蒸汽和液體等介質的溫度測量，這類熱電偶已做成標準形式，可根據測溫范圍和環境條件選擇適宜的熱電極材料和保護套管。圖11-8

普通熱電偶的根本結構

編輯ppt11.2熱電偶⒉鎧裝熱電偶(又稱纜式熱電偶)鎧裝熱電偶是將熱電極、緣材料連同金屬保護套一起拉制成形的，可做得很細、很長，其外徑可小到1-3mm，而且可以彎曲，適合于測量狹小的對象上各點的溫度。鎧裝熱電偶種類多，可制成單芯、雙芯和四芯等。主要特點是測量端熱容量小；動態響應快；有良好的柔性，便于彎曲；抗振性能好，強度高。⒊薄膜熱電偶用真空蒸鍍〔或真空濺射〕的方法，將熱電偶材料淀積在絕緣基板上而制成的熱電偶稱薄膜熱電偶。由于熱電偶可以做得很薄，測外表溫度時不影響被測外表的溫度分布，其本身熱容量小，動態響應快，故適合于測量微小面積和瞬時變化的溫度。編輯ppt11.2熱電偶圖11-9

薄膜熱電偶1-測量端

2-絕緣基板

3、4-熱電極

5、6-引出線

7-接頭夾具編輯ppt11.2熱電偶

圖11-10

鎧裝熱電偶1-接線盒

2-金屬套管

3-固定裝置

4-絕緣材料

5-熱電極除此之外，還有用于測量圓弧形固體外表溫度的外表熱電偶和用于測量液態金屬溫度的浸入式熱電偶等。編輯ppt11.2熱電偶一、測溫原理和方法⒈理論依據熱電偶兩個電極的材料確定以后，熱電偶的熱電動勢就只與熱電偶兩端溫度有關，如果使參考端溫度恒定不變，那么對給定材料的熱電偶，其熱電動勢就只與工作端溫度T成單值函數關系，即

〔11-14〕11.2.3熱電偶測溫電路編輯ppt11.2熱電偶⒉熱電偶測量線路①測量單點溫度的根本電路熱電偶與動圈式儀表連接，如圖11-11所示。圖11-11

熱電偶與動圈儀表連接使用編輯ppt11.2熱電偶

該力矩M促使線圈繞中心軸轉動。線圈轉動時，支持線圈的張絲便產生反作用力矩，其大小與線圈的偏轉角成正比，即〔11-16〕

在線圈幾何尺寸和匝數已定的條件下，M只與流過線圈的電流大小成正比，即〔11-15〕編輯ppt11.2熱電偶

〔11-18〕

式中，-回路的熱電勢平衡時，動圈停止在某一位置上，此時流過儀表的電流為

當

和

動圈的偏轉角為式中，C—-儀表靈敏度，顯示動圈轉角與流過線圈的電流具有單值正比關系。〔11-17〕編輯ppt11.2熱電偶②熱電偶串聯〔熱電堆〕圖中C、D為補償導線，回路總電勢為：〔11-19〕即回路總電勢為各熱電偶電勢之和。如果要測平均溫度，那么為了提高測量精度和靈敏度，也可將n支型號相同的熱電偶依次串聯，如圖11-13。編輯ppt11.2熱電偶圖11-12

兩支熱電偶的串聯編輯ppt11.2熱電偶圖11-13

正向串聯編輯ppt11.2熱電偶③熱電偶并聯-平均溫度測量測量平均溫度的方法是用幾支同型號的熱電偶并聯接在一起。使用熱電偶并聯的方法測多點的平均溫度，其優點是儀表的分度仍然和單獨配用一個熱電偶時一樣，缺點是當有一支熱電偶燒斷時，不能即使覺察出來。

如果n支熱電偶的電阻值相等，則并聯電路總電勢為：

（11-26）回路中總的電熱勢為〔11-25〕編輯ppt11.2熱電偶圖11-14

熱電偶并聯線路編輯ppt11.2熱電偶④熱電偶反接〔差動熱電偶〕圖11-15

熱電偶反向串接編輯ppt11.2熱電偶這種測量線路是測量兩處溫度差〔T1-T2〕的一種方法。它是把兩個型號相同的熱電偶配用相同的補償導線把它們反接而成，此時輸入到測量儀表的熱電勢為兩個熱電偶的熱電勢之差，即

〔11-27〕

從上式可以看出即反響出溫度T1和T2編輯ppt11.2熱電偶二、熱電偶的冷端處理

⒈冷端恒溫方式為防止經常校正的麻煩，可使冷端溫度保持為恒定的。

在實驗室條件下采用冷端恒溫方式，也稱為冰浴法，通常是把冷端放在盛有絕緣油的試管中，然后再將其放入裝滿冰水混合物的保溫容器中，使冷端保持，這時熱電偶輸出的熱電勢與分度值一致。實驗室中通常使用這種方法。近年來，已生產一種半導體制冷器件，可恒定在。編輯ppt11.2熱電偶⒉冷端的延伸——使冷端遠離被測熱源

圖11-16

熱電偶與補償導線連接編輯ppt11.2熱電偶=式中，——工作熱電偶冷端溫度；——為——工作熱電偶產生的熱電勢；——補償導線產生的熱電勢。上述方法只是相當于冷端直接延伸到了溫度為T0處，但并不消除冷端溫度不為該用前面介紹的補正方法把冷端修正到必須指出，只有當新移接點處的冷端溫度恒定或配用的儀表本身具有冷端溫度自動補償裝置時，應用補償導線才有意義。編輯ppt11.2熱電偶在工業上制成了專用的補償導線，并以不同顏色區別各種特定熱電偶的補償導線。在使用補償導線時應注意以下幾方面：①各種補償導線只能與相應型號的熱電偶配用，而且必須在規定的溫度范圍內使用；②注意極性，不能接反，否那么會造成更大的誤差；③補償導線與熱電偶連接的兩個結點，其溫度必須相同。編輯ppt11.2熱電偶圖11-17

電橋補償法⒊冷端溫度波動的自動補償――電橋補償法編輯ppt11.2熱電偶⒋熱電勢補正法由中間溫度定律得知，參考端溫度為

時的熱電勢為可見當參考端溫度時，熱電偶輸出的熱電勢將不等于而引入誤差。熱電偶的熱電特性，是在參考端為條件下獲得的，假設不加補正，所測得的溫度必然要低于實際值。為此，只要將測得的熱電勢加上就可獲得所需的是參考端為時的熱電勢，可查分度表得到，即為補正值。編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫熱電阻傳感器，對溫度和與溫度有關的參數進行檢測的裝置。按采用的電阻的材料可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，前者通常稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻11.3.1金屬熱電阻1.對熱電阻材料的要求并非所有的金屬材料都適合做溫度敏感元件，適于制作溫度測量敏感元件的電阻材料要具備以下要求：①溫度特性的線性度好——良好的輸出特性，即電阻溫度的變化接近于線性關系；②高且穩定的溫度系數和大的電阻率，以便提高靈敏度和保證測量精度；③電阻率大；④在使用范圍內，其化學、物理性能應保持穩定；⑤良好的工藝性，以便批量生產，降低本錢。編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻2.電阻——溫度特性電阻隨溫度變化的關系：⒊常用熱電阻1〕鉑電阻鉑是一種貴金屬，其主要特點是物理化學性能極為穩定，并且有良好的工藝性，易于提純，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔。它的缺點是電阻溫度系數小。編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻鉑電阻阻值與溫度變化之間的關系近似直線，可用下式表示：在在式中，Rt為溫度為t時的電阻值；R0為溫度為的電阻值；A為常數B為常數C為常數編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻2〕銅電阻鉑是貴金屬，價格昂貴，因此在測溫范圍比較小〔稱銅電阻。在一些測量精度不高且溫度較低的地方一般采用銅電阻，可用它來測量銅電阻有以下優點：〕的情況下，可采用銅制成的測溫電阻，①在上述溫度范圍內有很好的穩定性，銅電阻的阻值與溫度之間的關系為②電阻溫度系數高；③材料容易提純，價格廉價；編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻3〕其他熱電阻鎳和鐵電阻的溫度系數較大，電阻率也較高，適合做熱電阻，但由于存在易氧化或非線性嚴重等缺點，目前應用較少。鉑、銅熱電阻不適宜做低溫和超低溫測量，近年來，一些新穎的測量低溫領域的材料相繼出現，如銦電阻、錳電阻、碳電阻等。⒋熱電阻傳感器的應用在工業上廣泛應用熱電阻傳感器進行范圍的溫度測量。熱電阻傳感器進行測量的特點是精度高，適于測低溫。編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻a〕三線制結構

b〕四線制結構圖11-18

熱電阻傳感器測量電路編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻

熱敏電阻是一種半導體材料制成的敏感元件，其特點是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉換為能量的變化。制造熱敏電阻的材料很多，如錳、銅、鎳、鈷和鈦等氧化物，它們按一定比例混合后壓制成型，然后在高溫下燒結而成。熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、較穩定、制作簡單、壽命長、易于維護、動態特性好等優點，因此得到廣泛的應用，尤其是應用于遠距離測量和控制中。11.3.2熱敏電阻——半導體電阻編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻⒈熱敏電阻的類型和特點

相對于一般的金屬熱電阻而言，它主要有如下特點：①電阻溫度系數大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10~100倍②結構簡單，體積小，可以測量點溫度；③電阻率高，熱慣性小，適宜動態測量；④阻值與溫度變化呈非線性關系；⑤穩定性和互換性較差。⒉熱敏電阻的結構及符號

熱敏電阻主要由熱敏探頭、引線、殼體構成，結構及符號分別如圖11-19所示。編輯ppt11.3熱電阻和熱敏電阻圖11-19

熱敏電阻的結構及符號編輯ppt11