第3章_温度传感器

温度传感器内容提要•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。•为了定量地描述温度，引入一个概念─—温标。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0℃～100℃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•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•①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(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)。•②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。•（InternationalpracticalTermperturescaleof1968）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（开尔文），变量符号记作T90。•T90：1990年国际温标（ITS－90）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：3295Ftt15.273K90Tt＝℃•（3）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•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。温度的基本概念和测量方法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下一页返回非接触测温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。上一页下一页返回(1)经验温标由特定的测温质和测温量所确定的温标•华氏温标1714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)。上一页下一页返回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：温度开关上一页下一页返回热敏电阻的结构形式上一页下一页返回热电偶回路的总热电势TTBABABAABABBABAABABdt)(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1.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.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。),(),(),,(00TTETTETTTEnABnABnAB上一页下一页返回铜-铜镍（康铜）T－270~350400准确度高，价格低，广泛用于低温测量镍铬-铜镍E－270~8701000热电势较大，中低温稳定性好，耐磨蚀，价格便宜，广泛用于中低温测量铁-铜镍J－210~7501200价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀，在含碳或铁的条件下使用也很稳定，适用于化工生产过程的温度测量热电偶(J分度号)•测量范围：0℃～600℃，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。光电高温计•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。上一页下一页返回比色温度计原理：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。上一页下一页返回（2）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）铂热电阻。•使用测温范围为-200℃～+850℃，•有Pt10（电阻值为10Ω）和Pt100（电阻值为100Ω）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。•使用测温范围为-40℃～+140℃，•有Cu50（电阻值为10Ω）和Cu100（电阻值为100Ω）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。（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（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4电阻体不锈钢套管安装固定件接线盒引线端保护膜电阻丝123芯柱引线口2.热电阻测温电路•（1）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，R1～R4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，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。热敏电阻的种类使用温度范围基本原则NCT热敏电阻超低温1×10－3K～100K低温-130℃～0℃常温50℃～350℃中温150℃～750℃高温500℃～1300℃1300℃～2000℃碳、锗、硅在常用组成中添加铜、降低电阻锰、镍、钴、铁等过渡族金属氧化物的烧结体Al2O3+过渡族金属氧化物的烧结体ZrO2+Y2O3复合烧结体原材料同上，但只能短时测量PTC热敏电阻-50℃～150℃以BaTiO3为主的烧结体CTR热敏电阻0℃～350℃BaO、P与B的酸性氧化物，硅的酸性氧化物，MgO、CuO、SrO、B、Pb、La等氧化物，由上述材料构成的烧结体（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，接入的方式如图3－9（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