第4章 溫度檢測技術(shù)

2023/1/12第四章溫度檢測技術(shù)傳感與檢測技術(shù)溫度表征物體或系統(tǒng)冷熱程度的物理量，是國際單位制給出的七個基本物理量之一。

從熱能量的角度看：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量；

從熱平衡的觀點看：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量；

從分子物理學(xué)的角度看：溫度反應(yīng)了系統(tǒng)內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度；溫度高的物體，其內(nèi)部分子平均動能大；溫度低的物體，其內(nèi)部分子的平均動能小。

通常把長度、時間、質(zhì)量等基準(zhǔn)物理量稱作“外延量”，它們可以疊加，例如把長度相同的兩個物體連接起來，其總長度為原來的單個物體長度的兩倍。

溫度是一種“內(nèi)涵量”，疊加原理不再適用，例如把兩瓶90℃的水倒在一起，其溫度絕不可能增加，更不可能成為180℃。

熱力學(xué)的第零定律指出：具有相同溫度的兩個物體，它們必然處于熱平衡狀態(tài)；當(dāng)兩個物體分別與第三個物體處于熱平衡狀態(tài)時，這兩個物體也處于熱平衡狀態(tài)，即這三個物體處于同一溫度。因此，如果我們能用可復(fù)現(xiàn)的手段建立一系列基準(zhǔn)溫度值，就可將其他待測物體的溫度和這些基準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較，從而得到待測物體的溫度?！?.1溫標(biāo)及測溫方法一、溫標(biāo)為了保證溫度量值的統(tǒng)一，需要建立一個衡量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。溫度的高低必須用數(shù)字來說明，溫標(biāo)就是溫度的一種數(shù)值表示方法，并給出了一套溫度數(shù)值化的規(guī)則方法，同時明確了溫度的測量單位。通常，人們是借助于隨溫度變化而變化的物理量（如：體積、壓力、電阻、熱電勢等）來定義溫度數(shù)值，建立溫標(biāo)和制造各種溫度檢測儀表。

1.經(jīng)驗溫標(biāo)根據(jù)某些物質(zhì)的體積膨脹與溫度的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗溫標(biāo)。（1）華氏溫標(biāo)

1714年德國人法勒海特（Fahrenheit）以水銀為測溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計，選取氯化銨和冰水的混合物的溫度為溫度計的零攝氏度，人體溫度為溫度計的100度，把水銀溫度計從0度到100度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作“1°F”。按照華氏溫標(biāo)，水的冰點為32°F，沸點為212°F。

（2）攝氏溫標(biāo)

1740年瑞典人攝氏（Celsius）提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點規(guī)定為0度，水的沸點規(guī)定為100度。根據(jù)水這兩個固定溫度點來對玻璃水銀溫度計進(jìn)行分度，平均分成100等份，每一份稱為1攝氏度，記作1℃。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為：式中，T為華氏溫度值；t為攝氏溫度值。（3）列氏溫標(biāo)

列氏溫標(biāo)規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰融點為0度，水沸點為80度，中間等分80分，每一等分為1列氏度，記為：0R

攝氏、華氏和列氏三者關(guān)系：

C：攝氏、F：華氏、R：列氏（4）蘭氏溫標(biāo)（略）除華氏溫標(biāo)、列氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)外，還有一些類似經(jīng)驗溫標(biāo)，如蘭氏溫標(biāo)等，這里不再一一列舉。

2.熱力學(xué)溫標(biāo)

1848年，威廉.湯姆首先提出，以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，建立溫度僅與熱量有關(guān)而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)，因為是開爾文（Kelvin）總結(jié)出來的，又稱開爾文溫標(biāo)，是一種理想而不能真正實現(xiàn)的理論溫標(biāo)，它是國際單位制中七個基本物理單位之一。開氏溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時對應(yīng)的溫度——絕對零度（在實驗中無法達(dá)到的理論溫度，低于0K的溫度不可能存在）與水的三相點溫度分成273.16份，每份為1K（Kelvin）。熱力學(xué)溫度的單位為“K”。水的三相點是指：化學(xué)純水在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三項平衡時的溫度。

3.絕對氣體溫標(biāo)

從理想氣體狀態(tài)方程入手，復(fù)現(xiàn)的熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對氣體溫標(biāo)。由波義耳定律，有：

PV=nRT（4-2）式中，P為一定質(zhì)量的氣體的壓強Pa；V為該氣體的體積m3

；n為氣體的物質(zhì)的量mol，R為普適常數(shù)J/(mol·K）；T為熱力學(xué)溫度。

當(dāng)氣體的體積為恒定（定容）時，其壓強就是溫度的單值函數(shù)，即有

T2/T1=P2/P1

這種比值關(guān)系與開爾文給出的熱力學(xué)溫標(biāo)的比值關(guān)系完全類似。因此若選用同一固定點（水的三相點）來作參考點，兩種溫標(biāo)在數(shù)值上就完全相同。

4.國際實用溫標(biāo)(國際溫標(biāo))

為了解決國際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，國際上協(xié)商規(guī)定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即保證一定準(zhǔn)確度），又使用方便、容易實現(xiàn)的溫標(biāo)，這就是國際實用溫標(biāo)，簡稱國際溫標(biāo)。第一個國際溫標(biāo)是1927年第七屆國際計量大會上決定采用的國際實用溫標(biāo)。此后在1948、1960、1968年多次修訂，形成了近20多年來各國普遍采用的國際實用溫標(biāo)（IPTS—68）。

1989年7月第77屆國際計量委員會批準(zhǔn)建立了新的國際溫標(biāo)，簡稱ITS—90。為和IPTS—68溫標(biāo)相區(qū)別，用T90表示ITS—90溫標(biāo)。

我國從從1994年元旦開始全面推行ITS—90新溫標(biāo)。

二、溫度檢測的主要方法及分類特點根據(jù)傳感器的測溫方式，測溫?？煞譃榻佑|式和非接觸式兩大類。

1、接觸式溫度測量：

特點是感溫元件直接與被測對象相接觸，兩者進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，此時感溫元件的溫度與被測對象的溫度必然相等，溫度計的示值就是被測對象的溫度。

優(yōu)點：接觸式測溫的測溫精度相對較高，直觀可靠，測溫儀表價格較低。缺點：由于感溫元件與被測介質(zhì)直接接觸，會影響被測介質(zhì)的熱平衡狀態(tài)，而接觸不良又會增加測溫誤差；若被測介質(zhì)具有腐蝕性或溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件的性能和壽命。

分類：根據(jù)測溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測溫可分為膨脹式、熱阻式、熱電式等多種形式。

2、非接觸式溫度測量：

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(xiàn)熱交換，據(jù)此測出被測對象的溫度。優(yōu)點：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(shè)計得很高，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度等。兩類測溫方法的主要特點如表4-2所示系統(tǒng)的溫度升高1K所需的熱稱為該系統(tǒng)的熱容（符號C，單位J/K）。

§4.2熱膨脹式測溫方法熱膨脹式測溫是利用液體、氣體或固體熱脹冷縮的性質(zhì)，即測溫敏感元件在受熱后尺寸或體積發(fā)生變化，根據(jù)這個變化的量來得到溫度變化的值，通常以液體和固體檢測為主。一、玻璃溫度計玻璃液體溫度計簡稱玻璃溫度計，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計最常用的液體，其凝點為-38.9℃，測溫上限為538℃。對于較低溫度測量的情況，可以用其他凝點低的有機(jī)液體（如酒精下限為-62℃，甲苯下限為-90℃，而戊烷則可達(dá)-201℃）。

玻璃溫度計具有結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，價格低廉，測溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場直接讀數(shù)，一般無需能源，易破損，測溫值難自動遠(yuǎn)傳記錄等特點。

玻璃溫度計按使用方式又可分為：

1）全浸式即是把玻璃溫度計液柱全部浸沒在被測介質(zhì)中。此種方式的特點是測溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。

2）局浸式為把溫度計部分液柱（固定長度）浸入被測介質(zhì)中，部分暴露在空氣中。此種方式的特點是讀數(shù)容易，但測量誤差較大，即使采取修正措施，其誤差通常比全浸式大很多。二、壓力溫度計

1、結(jié)構(gòu)：壓力溫度計是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸氣在體積不變的條件下，其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理來實現(xiàn)測溫功能的。典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-1所示。

2、原理：壓力式測溫不是靠物質(zhì)受熱膨脹后的體積或尺寸變化來反應(yīng)溫度的，而是靠在密閉容器中液體或氣體受熱后壓力的升高來反應(yīng)被測溫度。因此這種測溫實際上是普通壓力表。溫包、傳遞壓力元件（毛細(xì)管）及壓力敏感元件（彈簧管）三者的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個封閉容器，其中充滿工作物質(zhì)，測溫時將溫包置入被測介質(zhì)中，溫包內(nèi)的感溫介質(zhì)（為氣體或液體或蒸發(fā)液體）因被測溫度的高低而導(dǎo)致體積膨脹或收縮造成壓力的增減，壓力的變化經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管，使彈簧管產(chǎn)生變形，進(jìn)而通過傳動機(jī)構(gòu)帶動指針偏轉(zhuǎn)，指示出相應(yīng)的溫度。這類壓力溫度計的毛細(xì)管細(xì)而長（規(guī)格為1～60m）,它的作用主要是傳遞壓力，長度愈長，溫度計響應(yīng)愈慢；在長度相等條件下，管愈細(xì)，則準(zhǔn)確度愈高。

溫包直接與被測介質(zhì)接觸，把溫度變化充分傳遞給工作物質(zhì)，所以，溫包應(yīng)防腐、熱導(dǎo)率好、體膨脹系數(shù)要小，還要有一定的機(jī)械耐壓強度，通常用不銹鋼和黃銅，而黃銅只用于非腐蝕性介質(zhì)中。特點：壓力溫度計和玻璃溫度計相比，具有強度大，不易破損，讀數(shù)方便，準(zhǔn)確度較低，耐腐蝕性較差等特點。壓力溫度計測溫范圍下限能達(dá)-100℃以下，上限最高可達(dá)600℃，常用于汽車、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)的油、水系統(tǒng)的溫度測量。M4、彈簧片1、測溫泡2、細(xì)管3、彈性金屬盒5、動觸點6、靜觸點7、拉桿8、凸輪9、連桿氯甲烷及它的蒸氣1210*冰箱溫度控制器

§4.3雙金屬溫度計固體長度隨溫度變化的情況可用下式表示，即L1=L0［1+k（t1-t0）］（4-4）式中，L1為固體在溫度t1

時的長度；L0為固體在溫度t0時的長度；k為固體在溫度t0、t1之間的平均線膨脹系數(shù)。

基于固體受熱膨脹原理，測量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)相對差異很大的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬片感溫元件（俗稱雙金屬溫度計）。當(dāng)溫度變化時，因雙金屬片的兩種不同材料的線膨脹系數(shù)相對差異很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，導(dǎo)致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形，如圖4-2所示。圖4-2雙金屬溫度計原理圖

在一端固定的情況下，如果溫度升高，金屬B（例如黃銅α=22.8×10-6℃-1

）因熱膨脹而伸長，金屬A（例如鎳鐵合金α=1×10-6℃-1

，鎳為36%）卻幾乎不變，致使雙金屬片向上翹，溫度越高則產(chǎn)生的線膨脹差別越大，引起的彎曲角度也越大。具體可用下式表示:x=G（L/d）·Δt（4-5）

式中，x為雙金屬片自由端的位移，mm；L為雙金屬片的長度，mm；d為雙金屬片的厚度，mm；Δt為雙金屬片的溫度變化，℃；G為彎曲率.

（將長度為100mm，厚度為1mm的線狀雙金屬片的一端固定，當(dāng)溫度變化1℃（1K）時，另一端的位移稱為彎曲率G。)

目前實際采用的雙金屬材料及測溫范圍為：

100℃以下，通常采用黃銅與34%鎳鋼；

150℃以下，通常采用黃銅與因瓦合金；

250℃以上，通常采用蒙乃爾高強度耐蝕鎳合金與34%～42%鎳鋼。雙金屬溫度計不僅可用于測量溫度，而且還可方便地用作簡單溫度控制裝置（尤其是開關(guān)的“通—斷”控制）。

雙金屬溫度計的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測溫范圍大致為-80～600℃，精度等級通常為1.5級左右。由于其測溫范圍和前兩種溫度計大致相同，且可作恒溫控制，可徹底解決水銀玻璃溫度計和水銀壓力溫度計易破損造成泄汞危害的問題，所以在測溫和控溫精度不高的場合，雙金屬溫度計的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。雙金屬片常制成螺旋管狀來提高靈敏度?？傊p金屬溫度計抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不太高，只能用做一般的民用與工業(yè)用測溫儀表。應(yīng)用：恒溫箱、電飯鍋、加熱爐等。(例子)電燙斗的構(gòu)造感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，但溫度升高到103℃時便失去了鐵磁性，這個溫度稱為這種材料的“居里溫度”或“居里點”。電飯鍋

§4.4熱阻式測溫方法

熱阻式測溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而達(dá)到測溫的目的。

用于制造熱電阻的材料，電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量(系統(tǒng)在某一過程中，溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量)、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。另外，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，易提純，同時價格盡可能便宜。

熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高，易于連續(xù)測量，可以遠(yuǎn)傳（與熱電偶相比），無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高，互換性好，精度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。

熱電阻主要缺點是需要電源激勵，有自熱現(xiàn)象（會影響測量精度），測量溫度不能太高。

常用熱電阻主要有金屬（鉑、銅）熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。一、鉑熱電阻測溫1.概述

鉑是貴金屬，電阻率較大，電阻-溫度關(guān)系呈非線性，不但測溫范圍廣，精度高，而且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。國際ITS—90規(guī)定，在-259.35～961.78℃溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計作為基準(zhǔn)溫度儀器。鉑的純度用百度電阻比

W100表示。它是鉑電阻在100℃時電阻值R100與0℃時電阻值R0之比，即W100=R100/R0。W100越大，其純度越高。目前技術(shù)已達(dá)到W100=1.393，其相應(yīng)的鉑純度為99.9995%。國際ITS—90規(guī)定，作為標(biāo)準(zhǔn)儀器的鉑電阻W100應(yīng)大于1.3925。一般工業(yè)用鉑電阻的W100應(yīng)大于1.385。

目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用；而Pt10是用較粗的鉑絲制作的，主要用于600℃以上的測溫。鉑電阻測溫范圍通常最大為-200～850℃。在550℃以上高溫（真空和還原氣氛將導(dǎo)致電阻值迅速漂移）只適合在氧化氣氛中使用。鉑電阻與溫度的關(guān)系為：式中，R0為溫度為零時鉑熱電阻的電阻值（Pt100為100Ω，Pt10為10Ω）；R(t)為溫度為t時鉑熱電阻的電阻值；A、B、C為系數(shù)，A=3.90802×10-3℃-1；B=-5.8019×10-7℃-2；C=-4.27350×10-12℃-4。

2.熱電阻的結(jié)構(gòu)

工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)

1—電阻絲；2—保護(hù)管；3—安裝固定件；4—接線盒熱電阻主要由感溫元件、內(nèi)引線、保護(hù)管三部分組成。通常還具有與外部測量及控制裝置、機(jī)械裝置連接的部件。它的外形與熱電偶相似，使用時要注意避免用錯。

熱電阻感溫元件是用來感受溫度變化的電阻器，它是熱電阻的核心部分，由電阻絲及絕緣骨架構(gòu)成。我國純鉑絲品種及應(yīng)用范圍如表4-4所示。表4-4純鉑絲品種及應(yīng)用3.熱電阻的引線形式內(nèi)引線是熱電阻出廠時自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測量及控制裝置相連接。內(nèi)引線通常位于保護(hù)管內(nèi)。因保護(hù)管內(nèi)溫度梯度大，作為內(nèi)引線要選用純度高且不產(chǎn)生熱電動勢的材料。對于工業(yè)鉑熱電阻而言，中低溫用銀絲作引線，高溫用鎳絲。這樣，既可降低成本，又能提高感溫元件的引線強度。對于銅和鎳熱電阻的內(nèi)引線，一般都用銅、鎳絲。為了減少引線電阻的影響，內(nèi)引線直徑通常比熱電阻絲的直徑大很多。

熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種，如圖4-4所示。

①兩線制

如圖4-4（a）所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線的引線形式為兩線制熱電阻。這種兩線制熱電阻配線簡單，安裝費用低，但要帶進(jìn)引線電阻的

附加誤差。因此，不適用于高精度測溫場合使用。并且在使用時引線及導(dǎo)線都不宜過長。采用兩線制的測溫電橋如圖4-5所示，（a）為接線示意圖，（b）為等效原理圖。從圖中可以看出熱電阻兩引線電阻RW和熱電阻Rt一起構(gòu)成電橋測量臂，這樣引線電阻RW因沿線環(huán)境溫度改變引起的阻值變化量2ΔRW和因被測溫度變化引起熱電阻Rt的增量值ΔRt一起成為有效信號被轉(zhuǎn)換成測量信號，從而影響溫度測量精度。②三線制

如圖4-4（b）所示，在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線形式稱為三線制熱電阻。用它構(gòu)成如圖4-6所示測量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測中應(yīng)用最廣。而且，在測溫范圍窄或?qū)Ь€長，導(dǎo)線途中溫度易發(fā)生變化的場合必須考慮采用三線制熱電阻。③四線制

如圖4-4（c）所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線，此種引線形式稱為四線制熱電阻。在高精度測量時，要采用如圖4-7所示四線制測溫電橋。

此種引線方式不僅可以消除內(nèi)引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時，可消除該電阻的影響，還可以通過CPU定時控制繼電器的一對觸點C和D的通斷，改變測量熱電阻中的電流方向，消除測量過程中的寄生電勢影響。另外，為保護(hù)感溫元件、內(nèi)引線免受環(huán)境的有害影響，熱電阻外面往往裝有可拆卸式或不可拆卸式的保護(hù)管。保護(hù)管的材質(zhì)有金屬、非金屬等多種材料，可

根據(jù)具體使用特點選用合適的保護(hù)管。二、銅電阻測溫銅電阻的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250℃以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號分別為Cu50和Cu100）一般工作溫度范圍為-40～120℃。其電阻值與溫度的關(guān)系為：

式中，R0為溫度為零時銅熱電阻的電阻值（Cu100為100Ω，Cu50為50Ω）；R（t）為溫度為t時銅熱電阻的電阻值；A，B，C為系數(shù)。A=4.28899×10-3℃-1；B=-2.133×10-7℃-2；C=1.233×10-9℃-3。

根據(jù)公式（4-6）制成的工業(yè)用銅熱電阻分度表見教材附表1-3和附表1-4。

三、半導(dǎo)體熱敏電阻測溫目前世界各國，特別是工業(yè)化國家，在低溫段-50～350℃且測溫要求不高的場合，采用半導(dǎo)體熱敏元件作溫度傳感器。大量用于各種溫度測量、溫度補償及要求不高的溫度控制。

1、熱敏電阻的優(yōu)點

熱敏電阻和熱電阻、熱電偶及其他接觸式感溫元件相比具有下列優(yōu)點：

①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個數(shù)量級；由于靈敏度高，可大大降低后面調(diào)理電路的要求；

②標(biāo)稱電阻有幾歐到十幾兆歐之間的不同型號和規(guī)格，因而不僅能很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響；③體積小（最小珠狀熱敏電阻直徑僅0.1～0.2mm），可用來測量“點溫”；

④熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合；

⑤結(jié)構(gòu)簡單、堅固，能承受較大的沖擊、振動，采用玻璃、陶瓷等材料密封包裝后，可應(yīng)用于有腐蝕性氣氛的惡劣環(huán)境；⑥資源豐富，制作簡單，可方便地制成各種形狀（如圖4-8所示），易于大批量生產(chǎn)，成本和價格十分低廉。

2、熱敏電阻的主要缺點：①阻值與溫度的關(guān)系為非線性；

②元件的一致性差，互換性差；

③元件易老化，穩(wěn)定性較差；

④除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍的溫度測量，使用時必須注意。3、熱敏電阻的特性（1）溫度特性：熱敏電阻按其性能分為：a)負(fù)溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻；b)正溫度系數(shù)PTC型熱敏電阻；c)臨界溫度系數(shù)CTR型熱敏電阻；對于負(fù)溫度系數(shù)的NTC，在較小的溫度范圍內(nèi)，R-T關(guān)系為：RT、R0：溫度為T、T0時的電阻，T：熱力學(xué)溫度，B：熱敏電阻材料常數(shù)（2000-6000K）。（2）伏-安特性：由圖可見，熱敏電阻在小電流范圍內(nèi)端電壓和電流成正比。4、熱敏電阻的主要參數(shù)：（1）標(biāo)稱電阻值RH

：指環(huán)境溫度在25±0.2℃測得值，（冷電阻）Ω。

（2）耗散系數(shù)H：指熱電阻的溫度變化與周圍介質(zhì)的溫差1℃時，所耗散的功率。（3）電阻溫度系數(shù)α：指RT的溫度變化1℃時，電阻值的變化率。﹪/℃（4）熱容C：指RT的溫度變化1﹪時，所吸收或釋放的能量。J/℃

（5）能量靈敏度G：指RT的值變化1﹪時，所需耗散的功率，(W)電阻種類的標(biāo)記符號

電阻材料RD

碳膜RN

金屬膜RS

金屬氧化膜RC

碳錫混合體RK

金屬系混合體RW

電阻線（功率型）RB

（精密型）四、熱敏電阻RT的應(yīng)用1、測量溫度2、溫度補償3、過熱保護(hù)4、溫控開關(guān)§4.5熱電式測溫方法一、熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫的特點是測溫范圍寬，測量精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，且動態(tài)響應(yīng)較好；輸出直接為電信號，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測和自動控制。

1.測溫原理熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體

A和

B連成閉合回路，當(dāng)兩個接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢。由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是

1821年塞貝克（Seeback）首先提出的，故又稱塞貝克效應(yīng)（如圖

4-9所示）。

人們把圖

4-9中兩種不同材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體A

和

B稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個端點固定焊接，用于對被測介質(zhì)進(jìn)行溫度測量，

T點:稱為測量端或工作端，俗稱熱端；

T0點:為某一恒定溫度或室溫，被稱作參比端或參考端，俗稱冷端。

圖4-9塞貝克效應(yīng)示意圖

熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由溫差電勢（又稱湯姆遜電勢）和接觸電勢（又稱珀爾帖電勢）兩種電勢組成。

溫差電勢：是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢。當(dāng)同一熱電極兩端溫度不同時，高溫端的電子能量比低溫端的大，因而從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比逆向的多，結(jié)果造成高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷。當(dāng)電子運動達(dá)到平衡后，在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生較穩(wěn)定的電位差，即為溫差電勢，如圖

4-10所示。

接觸電勢：是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象；擴(kuò)散的結(jié)果，接觸面上逐漸形成靜電場。該靜電場具有阻礙原擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行的作用，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，在熱電極接點處便產(chǎn)生一個穩(wěn)定電勢差，稱為接觸電勢，如圖

4-11所示。其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點的溫度，接點溫度越高，接觸電勢越大。設(shè)熱電偶兩熱電極分別為

A（為正極）和

B（為負(fù)極），兩端溫度分別為T、T0，且T>T0；則熱電偶回路總電勢為：

EAB(T,T0)=EAB

(T)-EAB

(T0)-EA(T,T0)+EB(T,T0)(4-8)

由于溫差電勢EA（T，T0）和EB（T，T0）均比接觸電勢小很多，通常均可忽略不計。又因為T>T0，故總電勢的方向取決于接觸電勢EAB（T）的方向，并且EAB（T0）總與EAB（T）的方向相反；這樣，（4-8）式可簡化為：

EAB

(T,T0)=EAB

(T)-EAB

(T0)（4-9）式中：

EAB(T,T0

）為測量端和參比端溫度分別為

t、t0時的熱電勢；

為了得到實用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能：

①優(yōu)良的熱電特性熱電勢及熱電勢率（靈敏度）要大，熱電關(guān)系接近單值線性或近似線性，熱電性能穩(wěn)定；②良好的物理性能高電導(dǎo)率，小比熱，耐高溫，低溫下不易脆斷，高、低溫下不發(fā)生再結(jié)晶等；③優(yōu)良的化學(xué)性能如抗氧化、抗還原性和耐其他腐蝕性介質(zhì)等；④優(yōu)良的機(jī)械性能易于提純和機(jī)械加工、工藝性好，易于大批量生產(chǎn)和復(fù)制；⑤

足夠的機(jī)械強度和長的使用壽命；

⑥

制造成本低，價值比較便宜。

2.熱電偶的分類及特性近一個世紀(jì)來，各國先后生產(chǎn)的熱電偶的種類有幾百種，應(yīng)用較廣的有幾十種，而國際電工委員會（IEC）推薦的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為八種（目前我國的國家標(biāo)準(zhǔn)已與國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一）。其中:分度號為

S、R、B

的三種熱電偶均由鉑和鉑銠合金制成，屬貴金屬熱電偶。分度號分別為

K、N、T、E、J的五種熱電偶，是由鎳、鉻、硅、銅、鋁、錳、鎂、鈷等金屬的合金制成，屬賤金屬熱電偶。這八種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電極材料、最大測溫范圍、適用氣氛等見表

4-5所示。

表4-6列出了不同等級（通常分為三級）標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)熱電偶適用測溫范圍和允差，供選用時參考。3.熱電偶結(jié)構(gòu)（1）普通工業(yè)用熱電偶

普通工業(yè)用熱電偶的種類很多，結(jié)構(gòu)和外形也不盡相同。如圖

4-12所示，熱電偶通常主要由熱端、熱偶絲、保護(hù)管、安裝固定件和接線盒

5部分組成。為了保證熱電偶正常工作，對其結(jié)構(gòu)提出如下要求：

①

測量端的焊接要牢固；

②

熱電極間必須有良好的絕緣；

③

參比端與導(dǎo)線的連接要方便、可靠；

④

用于對熱電極有害的介質(zhì)進(jìn)行測量時，須采用保護(hù)管，將有害介質(zhì)隔開。

（2）鎧裝熱電偶

所謂鎧裝熱電偶，是將熱電偶絲和絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)管中制成的熱電偶。鎧裝熱電偶材料是將熱電偶絲裝在有絕緣材料的金屬套管中，三者經(jīng)組合加工成可彎曲的堅實的組合體。將此鎧裝熱電偶線按所需長度截斷，對其測量端和參比端進(jìn)行加工，即制成鎧裝熱電偶。由于它具有許多優(yōu)點，因而受到用戶歡迎，應(yīng)用很普通。主要優(yōu)點是：

①測量范圍寬:在-200～

160℃溫度范圍內(nèi)均能使用；②響應(yīng)速度快:時間常數(shù)只有

0.01s；

③撓性好、安