第九講 熱電式溫度傳感器

1、第九講 溫度測量學習目的與要求學習目的與要求 了解測量溫度的方法，理解各種測量溫度傳感器的基本原理，了解各種傳感器的組成、分類、特點及標定方法。 重點是熱電偶、電阻式溫度傳感器。 概述概述現代工業(yè)中溫度測量和控制是不可缺少的，煙草烘干煙草烘干木材烘干木材烘干接觸式測溫接觸式測溫 溫度敏感元件與被測對象接觸，經過換熱后兩者溫度相等。 (1) 膨脹式溫度計 (2) 熱電阻溫度計 (3) 熱電偶溫度計 (4) 其他原理的溫度計直觀、可靠，測量儀表也比較簡單；時間滯后，對于較小的物體，可能因測溫元件引入影響溫度場分布而造成測量誤差，難以測量運動物體溫度，一般只適合于中低溫測量特點非接觸測溫非接觸測溫

2、溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫度。 (1) 輻射式溫度計 (2) 光纖式溫度計：特點不與被測物體接觸，不破壞原有的溫度場；測溫范圍廣、理論上無溫度上限限制、測溫響應快、測溫過程不影響溫度場分布、能夠檢測運動物體溫度等；精度一般不高。一、溫度檢測一、溫度檢測熱電阻熱電阻熱電偶熱電偶體積熱膨脹式體積熱膨脹式 不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。 氣體的體積與熱力學溫度成正比基于1-WIRE總線的DB18B20型智能溫度傳感器DB18B20DB18B20引腳引腳 電流輸出型典型集成溫度傳感器有電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590AD5

3、90（美國（美國ADAD公司生產），國內同類產公司生產），國內同類產品品SG590SG590。器件電壓器件電壓4 430V30V， 測溫范圍測溫范圍-50-50150150二、溫標 溫度的數值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度的讀數的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。 國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。 攝氏溫標攝氏溫標 -把標準大氣壓下純水的冰融點定為0度，純水的沸點定為100度。在0度和100度之間分成100等分，每一分為一攝氏度，符號為。華氏溫標華氏溫標 -規(guī)定在大氣壓下，純水的冰融點為32度，純水的沸點為212度，中間劃分為180等分，每一分為

4、一華氏度，符號為 。熱力學溫標熱力學溫標 K - 開爾文溫標，單位為開爾文（K）。熱力學溫標（熱力學溫標（K K） 熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎上的最科學的溫標，是由開爾文根據熱力學定律提出來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K） 。 世界范圍內采用1990年國際溫標，它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現這些固定點的標準儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K（0.01C）等。威廉湯姆遜開爾文勛爵像 我國目前實行的為國際攝氏溫度（符號為t），兩種溫標的換算公式為： t()=T（K）-273.15K 進行間接溫度測量使用的溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯

5、示部分組成，如圖示。 溫度傳感器組成框圖 應用：熱膨脹原理測溫應用：熱膨脹原理測溫 測量原理物體受熱時產生膨脹 液體膨脹式溫度計 固體膨脹式溫度計 玻璃管溫度計 雙金屬溫度計雙金屬溫度計雙金屬溫度計 雙金屬溫度計是把兩種膨脹系數不同的金屬薄片焊接在一起制成的，是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉換成機械量變化，不僅用于測量溫度，而且還用于溫度控制裝置（尤其是開關的“通斷”控制），使用范圍相當廣泛。 如圖所示, 將其一端固定, 如果溫度升高, 下面的金屬B（例如黃銅）因熱膨脹而伸長，上面的金屬A（例如因瓦合金）卻幾乎不變，致使雙金屬偏向上翹。溫度越高則產生的線膨脹差越大，引起的彎曲越大。 感溫元

6、件通常繞成螺旋型，一端固定，另一端連接指針軸。溫度變化時，感溫元件的彎曲率發(fā)生變化，并通過指針軸帶動指針偏轉，在刻度盤上顯示出溫度的變化。 雙金屬溫度計的結構雙金屬溫度計的結構 溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。金屬熱電阻一般用于-200+600溫度測量。 三、金三、金屬熱電阻屬熱電阻1 )(1 1121tRttRR 取一只取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現其冷態(tài)燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而

7、計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484 。 熱電阻測溫原理熱電阻測溫原理導體或半導體的電阻值隨溫度變化導體或半導體的電阻值隨溫度變化 測量原理測量原理 T R熱電阻 -200-200OO +0+0850850 式中：式中： 為為0C0C時電阻，其值是時電阻，其值是2301100tRRt btc tt201tRRtbt0R100 在在0 0630.74630.74范圍內，范圍內，金屬鉑的電阻值與溫金屬鉑的電阻值與溫度的關系為度的關系為在在-50-50180180范圍內，金屬銅的電阻值與溫度的關系為范圍內，金屬銅的電阻值與溫度的關系為)1 (0tRRt1

8、 332210tttRRt溫度0時的電阻值 溫度t時的電阻值 鉑電阻電阻率較大，電阻-溫度關系呈非線性，但測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復現性好工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10 銅電阻電阻值與溫度的關系幾乎呈線性，電阻溫度系數也較大，而且其材料易提純，價格比較便宜，但缺點是在100以上易被氧化工業(yè)用銅熱電阻的分度號為Cu50和Cu100熱電阻的主要技術性能熱電阻的主要技術性能 易提純、復現性好的金屬材料才可用于制作熱電阻易提純、復現性好的金屬材料才可用于制作熱電阻應用于應用于-200600-200600范圍內的溫度測量范圍內的溫度測量 熱電阻電阻體（最主要部分）絕緣套管接線盒熱電阻

9、電阻體（最主要部分）絕緣套管接線盒材料要求： 電阻溫度系數要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內，應具有穩(wěn)定的物理和化學性能；電阻與溫度的關系最好接近于線性；應有良好的可加工性，且價格便宜。熱電阻傳感器的結構熱電阻傳感器的結構456 電阻的結構主要由不同材料的電阻絲繞制而成，為了避免通過交流電時產生感抗，或有交變磁場產生感應電動勢，在繞制時采用雙線無感繞制。薄膜型及普通型鉑熱電阻薄膜型及普通型鉑熱電阻小型鉑熱電阻小型鉑熱電阻 防爆型鉑熱電阻防爆型鉑熱電阻汽車用水溫傳感器及水溫表汽車用水溫傳感器及水溫表銅熱電阻銅熱電阻鉑熱電阻分度表鉑熱電阻分度表 近年來，幾乎所有的家用電器產品都裝有微處

10、理器，溫度控制完全智能化，這些溫度傳感器幾乎都使用熱敏電阻。 熱敏電阻用半導體材料氧化復合燒結而成，主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物。 四、熱敏電阻四、熱敏電阻 陶瓷半導體材料的導電性取決于電子-空穴的濃度。 在低溫下，電子-空穴的濃度很低，故電阻率很大；溫度升高，電子-空穴的濃度按指數規(guī)律增加，電阻率迅速減小。 )11(00TTeRRR0：溫度為20 時的電阻值（）；RT：溫度為T 時的電阻值（）；T：熱力學溫度（K）； ：熱敏電阻常數（30004000K ）測溫機理測溫機理2/TRdTdR 熱敏電阻有負溫度系數（NTC）和正溫度系數（PTC）之分，其特性曲線是非線性的。 NT

11、C又可分為兩大類： 第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數關系； 第二類為突變型（CTR）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降 。熱敏電阻的外形、結構及符號熱敏電阻的外形、結構及符號a a）圓片型熱敏電阻）圓片型熱敏電阻 b b）柱型熱敏電阻）柱型熱敏電阻 c c）珠型熱敏電阻）珠型熱敏電阻 d d）鎧裝型）鎧裝型 e e）厚膜型）厚膜型 f f）圖形符號）圖形符號1 1熱敏電阻熱敏電阻 2 2玻璃外殼玻璃外殼 3 3引出線引出線 4 4紫銅外殼紫銅外殼 5 5傳熱安裝孔傳熱安裝孔 熱敏電阻外形熱敏電阻外形 MF12型型 NTC熱敏電阻熱敏電阻聚脂塑料封裝聚脂塑料封裝熱敏

12、電阻熱敏電阻其他形式的熱敏電阻其他形式的熱敏電阻 玻璃封裝玻璃封裝 NTC熱敏電阻熱敏電阻MF58 型熱敏電阻型熱敏電阻其他形式的熱敏電阻其他形式的熱敏電阻 帶安裝孔的熱敏電阻帶安裝孔的熱敏電阻大功率大功率PTC熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻溫度計面板表熱敏電阻溫度計面板表 熱敏電阻熱敏電阻 LCD 由于熱敏電阻與溫度呈較強的非線性，使得它的測溫范圍和精度受到一定限制。 一般利用溫度系數很小的金屬電阻與熱敏電阻串聯或并聯，使熱敏電阻阻值在一定范圍內呈線性關系。 熱敏電阻測量的方法常用電橋法電橋法。 右圖是一恒溫電路，A為比較器，當環(huán)境溫度達到T時，輸出信號實現自動調溫控制。 同相端輸入有RP、R1、

13、R2、R3分壓確定作比較電平，RP可調節(jié)比較器的比較電平，從而調節(jié)所需控制溫度。熱敏電阻的恒溫控制電路熱敏電阻的恒溫控制電路熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制 熱敏電阻用于熱敏電阻用于CPU的溫度測量的溫度測量 熱敏電阻體溫表的調試、標定方法熱敏電阻體溫表的調試、標定方法 小結小結 熱敏電阻熱敏電阻 熱電偶是使用最普遍的測溫元件，具有結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號，便于遠傳或信號轉換等優(yōu)點。五、熱電偶五、熱電偶 兩種不同類型的導體組合成閉合回路，若連接處溫度不同，則在此閉合回路中就有電流產生，即回路中有電動勢存在，該現象叫做熱電效應，又稱西

14、拜克效應。TT0AB熱端冷端i工作原理 利用這種熱電效應，只要知道一端結點溫度，就可以測出另一端結點的溫度。 固定溫度的接點稱基準點（冷端）T0 ，恒定在某一標準溫度； 待測溫度的接點稱測溫點（熱端）T ，置于被測溫度場中。 這種將溫度轉換成熱電動勢的傳感器稱為熱電偶，金屬稱熱電極。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端 10.3.1 10.3.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理熱電偶工作原理演示實驗熱電偶工作原理演示實驗結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。 熱電極A自由端（參考端、冷端） 測量端（工作端、熱端） 熱電極B熱電勢熱電勢A

15、B 回路中所產生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。(1) 接觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(eAB(T)：導體A、B結點在溫度T 時形成的接觸電動勢；E：單位電荷， e =1.610-19C； k：波爾茲曼常數， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB：導體A、B在溫度為T 時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端不同金屬自由電子密度不同，當兩種金屬接觸在一起時，在結點處會產生電子擴散，濃度大的向濃度小的金屬擴散。濃度高

16、的失去電子顯正電，濃度低的得到電子顯負電。當擴散達到動態(tài)平衡時，得到一個穩(wěn)定的接觸電勢。eA(T，T0)導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫差為1時所產生的溫差電動勢，例如在0時，銅的 =2V/。AeA(T,To)ToT(2)單一導體溫差電勢（湯姆遜電勢）dTTTeTTAA0),(0溫差電勢原理圖熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端 對單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端也產生電勢。 產生這個電勢是由于導體內自由電子在高溫端具有較大的動能，會向低溫端擴散。由于高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電。 由導體材料A、B組成閉合回路，其接

17、點溫度分別為T、T0,如果TT0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢。0000lnln()TATATABTBTBTNkTNkTdTeNeNT0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB(3) 回路總電勢),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、NAT0導體A在結點溫度為T和T0時的電子密度； NBT、NBT0導體B在結點溫度為T和T0時的電子密度；A 、 B導體A和B的湯姆遜系數。 在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢，溫差電動勢可以忽略不計。EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )在標

18、定熱電偶時，一般使T0為常數，則： 在工程應用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關系并做成表格，以供備查。由公式可得：EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-EAB(T0)-EAB(0) = EAB(T，0)-EAB(T0，0) 熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為T 和零度以及和零度以及T0和零和零度的熱電勢之差。度的熱電勢之差。EAB(T,T0)EAB(T )-EAB(T0 )結論： 熱電偶兩電極材料相同，NA=NB時，無論兩端點溫度如何，總熱電勢為零； 如果熱電偶兩接點溫度相同，T=T0時，A、B材料不同，回

19、路總電勢為零； 熱電偶必須用不同材料做電極；在T、T0兩端必須有溫差梯度，這是熱電偶產生熱電勢的必要條件。(1) 均質導體定律熱電偶的性質熱電偶的性質 由一種均質導體組成的閉合回路，不論是否存在溫度梯度，不產生電動勢；反之，若有電流，一定是非均質的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。 E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0TABCTT(2) 中間導體定律 不同導體材料連接成的閉合回路，只要連接的接點溫度相同，則此回路各接點產生的熱電勢的代數和為零。兩點結論： l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖a, A、C接點2與C、A的接點3，均處于相同溫度T0之中，此回路

20、的總電勢不變，即同理，圖b中C、A接點2與C、B的接點3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖ET0T1T1T電位計接入熱電偶回路電位計接入熱電偶回路 根據上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。 ET0T0T EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0

21、TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意兩種導體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關系為：(3) 中間溫度定律 如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2(如圖所示)時,則其熱電勢為EAB(T1, T2)；當接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2, T3)；當接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1, T3)，則BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+

22、EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0熱電偶補償導線接線圖E 對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何測量的問題提供了依據。如當T2=0時，則： 只要T1、T0不變，接入AB后不管接點溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補償導線原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)說明：當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B同樣熱電特性的材料A、B(如圖)即引入所謂補償導線時，當EAA(T2)=EBB(T2)，則回路總電動勢為（1）工業(yè)用普通熱電偶 圖為典型工業(yè)用熱電偶結構示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、

23、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。 工業(yè)熱電偶結構示意圖1接線盒；2保險套管3絕緣套管4熱電偶絲1234(a)(b)(c)(d) 132（2）鎧(kai)裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。 測溫范圍在1100以下的有：鎳鉻鎳硅、鎳鉻考銅鎧裝式熱電偶。 斷面如圖所示。由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3.2-12 鎧裝式熱電偶斷面結構示意圖 1 金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露頭型

24、; (d)帽型（3）快速反應薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄(0.010.lm) 4123快速反應薄膜熱電偶1熱電極; 2熱接點;3絕緣基板; 4引出線因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結劑將它粘結在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵鎳、鐵康銅和銅康銅三種,尺寸為 6060.2mm；絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測溫范圍在300以下；反應時間僅為幾ms。 （4）快速消耗微型熱電偶 圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為0.050.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，

25、外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標定，測量精度可達土57。14235678 91110快速消耗微型 1剛帽； 2石英； 3紙環(huán)； 4絕熱泥；5冷端； 6棉花； 7絕緣紙管； 8補償導線；9套管； 10塑料插座； 11簧片與引出線方法u 冰點槽法u 計算修正法u 補正系數法u 零點遷移法u 冷端補償器法u 軟件處理法原因l熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數，必須使冷端溫度保持恒定；l熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0為依據，否則會產生誤差。冷端處理及補償冷端處理及補償 補償導線 問題引出 解

26、決方法熱電極長度有限，冷端受到被測溫熱電極長度有限，冷端受到被測溫度變化的影響度變化的影響;熱電偶冷端暴露于熱電偶冷端暴露于空間，受環(huán)境溫度影響空間，受環(huán)境溫度影響把熱電偶的冷端延伸到遠離被測對象且溫度比較穩(wěn)定的地方把熱電偶的冷端延伸到遠離被測對象且溫度比較穩(wěn)定的地方造成浪費造成浪費選用一種具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，其材料又是廉價金屬導線選用一種具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，其材料又是廉價金屬導線補償導線 其一實現了冷端遷移；其一實現了冷端遷移；其二是降低了成本其二是降低了成本。 功 能不同型號的熱電偶所配用的補償導線不同不同型號的熱電偶所配用的補償導線不同; ;連接補償導線時

27、要注意區(qū)分正負極，使其分別與熱電偶的正負極連接補償導線時要注意區(qū)分正負極，使其分別與熱電偶的正負極一一對應一一對應; ;補償導線連接端的工作溫度不能超出（補償導線連接端的工作溫度不能超出（01000100）, ,否則會給測量否則會給測量帶來誤差。帶來誤差。 使用補償導線注意問題 問題引出 冷端溫度補償熱電偶的分度表所表征的是冷端溫度為熱電偶的分度表所表征的是冷端溫度為00時的時的熱電勢熱電勢- -溫度關系，與熱電偶配套使用的顯示儀溫度關系，與熱電偶配套使用的顯示儀表就是根據這一關系進行刻度的。表就是根據這一關系進行刻度的。 解決方法0恒溫法恒溫法 冷端溫度修正法冷端溫度修正法 儀表機械零點調整法儀表機械零點調整法 補償電橋法補償電橋法 (1)冰點槽法 把熱