常用溫度傳感器原理講義教材

1、 常用溫度傳感器原理 概述： 1.定義 ： 傳感器是一種轉(zhuǎn)換裝置，其作用是借助檢測元件把被測對象的力、位移、 速度、加速度、溫度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為可以檢測、傳輸、處理的信號（如電 壓信號、電流信號等）。又稱變換器或檢測器，在聲學里也稱換能器，測量振 動的傳感器又稱拾振器。 2.分類 ： 按輸入量性質(zhì)的不同可分為加速度、速度、位移、溫度、壓力傳感器等 按變換原理的不同可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式傳感器 等。 按測量參數(shù)分類 按工作原理分類 溫度傳感器： 溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學試驗中 需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)，也是與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的一個

2、重要物 理量。通常把長度、時間、質(zhì)量等基準物理量稱作“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 的水倒 在一起，其溫度絕不可能增加，更不可能成為 。從熱平衡的觀點看， 溫度是物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運動劇烈程度的標志，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。熱力學的第零定律 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，如果我們能用可復現(xiàn)的手

3、段建立一系列基準溫度值， 就可將其他待測物體的溫度和這些基準溫度進行比較，從而得到待測物體的溫 度。 1 、 溫標與標定： a) 溫標： 現(xiàn)代統(tǒng)計力學雖然建立了溫度和分子動能之間的函數(shù)關(guān)系，但由于目前還 難以直接測量物體內(nèi)部的分子動能，因而只能利用一些物質(zhì)的某些物性（諸如 尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強度等）隨溫度變化的規(guī)律，通過這些量 來對溫度進行間接測量。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(tǒng)一尺度，即溫標。 隨著溫度測量技術(shù)的發(fā)展，溫標也經(jīng)歷了一個逐漸發(fā)展，不斷修改和完善 的漸進過程。從早期建立的一些經(jīng)驗溫標，發(fā)展為后來的理想熱力學溫標和絕 對氣體溫標，到現(xiàn)今使

4、用的具有較高精度的國際實用溫標，其間經(jīng)歷了幾百年 時間。 經(jīng)驗溫標 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 溫標稱為經(jīng)驗溫標。 *華氏溫標： 年德國人法勒海特（）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 度，把水銀溫度計從 度到 度按水 銀的體積膨脹距離分成份，每一份為 華氏度，記作“”。按照 華氏溫標，水的冰點為，沸點為。 * 攝氏溫標： 年瑞典人攝氏（）提出在標準大氣壓下，把水的 冰點規(guī)定為度，水的沸點規(guī)定為度。根據(jù)水這兩個固定溫度點來對玻 璃水銀溫度計進行分度，平均分成等份，每一份稱為攝氏度，

5、記作 。 攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為 （/ ）* * （） 式中， 為華氏溫度值 ；為攝氏溫度值 。 除華氏溫標和攝氏溫標外，還有一些類似經(jīng)驗溫標，如列氏溫標、蘭氏溫 標等，這里不再一一列舉。 經(jīng)驗溫標均依賴于其規(guī)定的測量物質(zhì)，測溫范圍也不能超過其上、下限 （如攝氏溫標為 、），超過了這個溫區(qū)，攝氏溫標將不能進行溫 度標定?？傊?jīng)驗溫標具有很大的局限性，很快就不能適應(yīng)工業(yè)和科技等領(lǐng) 域的測溫需要。 熱力學溫標 年由開爾文（）提出的以卡諾循環(huán)（ ）為基礎(chǔ)建立的熱力學溫標，是一種理想而不能真正實現(xiàn)的理論溫 標，它是國際單位制中七個基本物理單位之一。該溫標為了在分度上和攝氏溫 標相一致，把理想氣體

6、壓力為零時對應(yīng)的溫度絕對零度（在實驗中無法 達到的理論溫度，低于 的溫度不可能存在）與水的三相點溫度分成 份，每份為（）。熱力學溫度的單位為“”。 b） 標定： 對溫度計的標定，有標準值法和標準表法兩種方法。標準值法就是用適當 的方法建立起一系列國際溫標定義的固定溫度點（恒溫）作標準值，把被標定 溫度計（或傳感器）依次置于這些標準溫度值之下，記錄下溫度計的相應(yīng)示值 （或傳感器的輸出），并利用國際溫標規(guī)定的內(nèi)插公式對溫度計（傳感器）的 分度進行對比記錄，從而完成對溫度計的標定。標定后的溫度計可作為標準溫 度計使用。 另一種更為一般和常用的標定方法是把被標定溫度計（傳感器）與已被標 定好的更高一級

7、精度的溫度計（傳感器），緊靠在一起，共同置于可調(diào)節(jié)的恒 溫槽中，分別把槽溫調(diào)節(jié)到所選擇的若干溫度點，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲 得一系列對應(yīng)差值，經(jīng)多次升溫、降溫，重復測試，若這些差值穩(wěn)定，即可把 記錄下的這些差值作為被標定溫度計的修正量，完成對被標定溫度計的標定。 各國都根據(jù)國際溫標規(guī)定建立了自己的標準，并定期和國際標準相對比，以保 證其精度和可靠性。我國的國家溫度標準保存在中國計量科學院。各省（直轄 市、自治區(qū)）市縣計量部門的溫度標準定期進行下級與上一級標準對比（修 正）、標定，據(jù)此進行溫度標準的傳遞，從而保證溫度標準的準確與統(tǒng)一。 2 、 測量方法分類及其特點： 根據(jù)傳感器的測溫方式，溫度

8、基本測量方法通?？煞譃榻佑|式和非接觸式 兩大類。 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，最后達到熱平衡，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。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，但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 或溫度太高亦將嚴重影響感溫元件的性能和壽命。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。 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

9、現(xiàn)熱交換，據(jù)此測出被測對象的溫度。因此，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優(yōu)點。兩類測溫方法的主要特點 如下表： 各類溫度檢測方法構(gòu)成的測溫儀表的大體測溫范圍如表： 3、 熱阻式測量方法： 熱阻式測溫是根據(jù)金屬導體或半導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、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、化學性質(zhì)要穩(wěn)定， 復現(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)

10、測量，可以遠傳（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。 常用熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和半導體熱敏電阻。 a） 鉑電阻測溫 ： 鉑電阻的電阻率較大，電阻溫度關(guān)系呈非線性，但測溫范圍廣，精度 高，且材料易提純，復現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學 性質(zhì)都很穩(wěn)定。國際規(guī)定，在 溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計作為基準溫度儀器。 鉑的純度用百度電阻比 表示。它是鉑電阻在 時電阻值 與 時電阻值 之比，即 。 越大，其純度越高。 目前技術(shù)已達到 ，其相應(yīng)的鉑純度為

11、 。國際規(guī)定，作為標準儀器的鉑電阻 應(yīng)大于 。一般工業(yè)用鉑電阻的 應(yīng)大于。 目前工業(yè)用鉑電阻分度號為和，其中更為 常用；而是用較粗的鉑絲制作的，主要用于 以上的測溫。 鉑電阻測溫范圍通常最大為。在 以上高溫（真空 和還原氣氛將導致電阻值迅速漂移）只適合在氧化氣氛中使用。鉑電阻與溫度 的關(guān)系為 當 時： 當 時： 式中， 為溫度為零時鉑熱電阻的電阻值（為 ， 為 ）； （）為溫度為時鉑熱電阻的電阻值； 、為系數(shù)， ； ； 。 熱電阻的結(jié)構(gòu)： 工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)如圖： 熱電阻主要由感溫元件、內(nèi)引線、保護管三部分組成。通常還具有與外部 測量及控制裝置、機械裝置連接的部件。它的外形與熱電偶相似，使用

12、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。作為熱電阻絲的材料應(yīng)具備如下條件： 電阻溫度系數(shù)大，線性好，性能穩(wěn)定； 使用溫度范圍廣，加工方便； 固有電阻大，互換性好，復制性強。 能夠滿足上述要求的絲材，最好是純鉑絲。我國純鉑絲品種及應(yīng)用范圍如 下表 絕緣骨架是用來纏繞、支承或固定熱電阻絲的支架。它的質(zhì)量將直接影響 電阻的性能。因此，作為骨架材料應(yīng)滿足如下要求： 在使用溫度范圍內(nèi)，電絕緣性能好； 熱膨脹系數(shù)要與熱電阻相近； 物理及化學性能穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物質(zhì)污染熱電阻絲； 足夠的機械強度及良好的加工性能； 比熱容小，熱導率大。

13、目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。用不同骨架可制成多 種熱電阻感溫元件。采用云母骨架的感溫元件特點是：抗機械振動性能強，響 應(yīng)快。很久以來多用云母做骨架。但是，由于云母是天然物質(zhì)，其質(zhì)量不穩(wěn) 定，即使是優(yōu)質(zhì)云母，在 以上也要放出結(jié)晶水并產(chǎn)生變形。所以，采 用云母骨架的感溫元件使用溫度宜在以下。 因其電阻絲并非完全固定，故受熱后引起電阻變化小，電阻性能比較穩(wěn) 定， 但體積較大，不適宜在狹小場所進行測量，并且響應(yīng)時間較長。 采用玻璃骨架的感溫元件特點是：體積小，響應(yīng)快，抗振性強。因鉑絲已 固定在玻璃骨架上，故在使用中不產(chǎn)生變形，因此，必須選取與電阻絲具有相 同膨脹系數(shù)的玻璃作骨架，否則

14、，當溫度變化時引起膨脹或收縮，就會改變熱 電阻的性能。感溫元件較通用的尺寸是外徑為，長度為 。這種玻璃骨架的軟化點約為 ，最高安全使用溫度為， 而且，低溫到仍然可用。 采用陶瓷骨架的感溫元件特點是：體積小，響應(yīng)快，絕緣性能好。使用溫 度上限可達 。陶瓷骨架的缺點是機械強度差，不易加工。 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)引線通常位于保護管內(nèi)。因保護管內(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

15、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 兩線制： 在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導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線都不宜過長。采用兩 線制的測溫電橋如下圖， （）為接線示意圖，（）為等效原理圖。從圖中可以看出熱電阻兩引 線電阻和熱電阻 一起構(gòu)成電橋測量臂，這樣引線電阻 因沿線環(huán)境溫 度改變引起的阻值變化量 和因被測溫度變化引起熱電阻 的增量值 一起成為有效信號被

16、轉(zhuǎn)換成測量信號，從而影響溫度測量精度。 三線制： 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)成如下圖所示測量電橋，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。 四線制： 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，要采用如下圖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，而且在連接導線阻值相同時，可消除該電阻的影 響，還可以通過 定時控制繼電器的一對觸點 和 的通斷

17、，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管。保護管的材質(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管。 b） 銅電阻和熱名電阻測溫 ： 銅電阻： 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（僅為鉑的左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在 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 和）一般工作溫度范圍為 。其電阻值與溫度 的關(guān)系為： 當 時， 式中， 為溫度為零時銅熱電阻的電阻值（為 ， 為 ）；（ ）為溫度為

18、 時銅熱電阻的電阻值； ， ， 為 系數(shù)。 ； ； 。 半導體熱敏電阻： 目前世界各國，特別是工業(yè)化國家，在低溫段 且測溫要 求不高的場合，采用半導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。 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： 靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大 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； 標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，而且遠距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響； 體積小（最小珠狀熱敏電阻直徑僅），可用來測量 “點溫”； 熱慣性小，響應(yīng)速度

19、快，適用于快速變化的測量場合； 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； 資源豐富，制作簡單，可方便地制成各種形狀（如圖所示），易于 大批量生產(chǎn)，成本和價格十分低廉。 熱敏電阻的主要缺點： 阻值與溫度的關(guān)系為非線性； 元件的一致性差，互換性差； 元件易老化，穩(wěn)定性較差； 除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合 范圍 的溫度測量，使用時必須注意。 4 、 熱電式測量方法： a） 熱電偶測溫： 熱電偶測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，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。

20、測溫原理： 熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)：將兩種不同的導體 和 連成閉合回 路，當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) 象是年塞貝克（）首先提出的，故又稱塞貝克效應(yīng)。 人們把上圖中兩種不同材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱為熱電偶，導體 和 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)進行 溫度測量，這一接點稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點處通 常保持為某一恒定溫度或室溫，被稱作參比端或參考端，俗稱冷端。 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

21、產(chǎn)生的電勢。當同一熱電極兩 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 得到電子而帶負電荷。當電子運動達到平衡后，在導體兩端便產(chǎn)生較穩(wěn)定的電 位差，即為溫差電勢，如下圖所示。 熱電偶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)生自由電子的擴散現(xiàn)象；擴散的結(jié)果，接觸面上逐漸 形成靜電場。該靜電場具有阻礙原擴散繼續(xù)進行的作用，當達到動態(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，如上圖所示。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，

22、接觸電勢越 大。 設(shè)熱電偶兩熱電極分別為（為正極）和（為負極），兩端溫度分別為 、，且 ；則熱電偶回路總電勢為： 由于溫差電勢 （，）和 （ ，）均比接觸電勢小很多，通 常均可忽略不計。又因為 ，故總電勢的方向取決于接觸電勢 （）的方向，并且 （）總與 （）的方向相反；這樣，可簡化 為： 由此可見，當熱電偶兩熱電極材料確定后，其總電勢僅與其兩端點溫度 、有關(guān) 。為統(tǒng)一和實施方便 ，世界各國均采用在參比端保持為零攝氏度， 即 條件下，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同 熱端溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，制成測量端溫度（通常用國際攝氏溫度單位） 和熱電偶電勢對應(yīng)關(guān)系表，即分度表；也可據(jù)此計

23、算得兩者的函數(shù)表達式。 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： 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； 良好的物理性能 高電導率，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； 優(yōu)良的化學性能 如抗氧化、抗還原性和耐其他腐蝕性介質(zhì)等； 優(yōu)良的機械性能 易于提純和機械加工、工藝性好，易于大批量生產(chǎn)和復制； 足夠的機械強度和長的使用壽命 ； 制造成本低，價值比較便宜。 熱電偶的分類及特性 近一個世紀來，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（）推薦的工業(yè)用標準熱電偶

24、為八種（目前我 國的國家標準已與國際標準統(tǒng)一）。其中分度號為、 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、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。這八種標準熱電偶的熱電極材料、最大測溫范圍、適用氣氛等見 下表： 不同等級標準化工業(yè)熱電偶的允差 熱電偶的選用除了考慮被測對象的溫度范圍外，還需考慮熱電偶使用環(huán)境 的氣氛，通常被測對象的溫度范圍在 時可優(yōu)選型熱電 偶，因為它在賤金屬熱電偶中精度最高，或選型熱電偶，它是賤金屬熱電偶 中熱電勢最大、靈敏度最高的熱電偶；當上限溫度 ，可優(yōu)先選 型熱電偶，其特點為使用溫度范圍寬（上限最高可

25、達 ），高溫性能 較穩(wěn)定，價格較滿足該溫區(qū)的其他熱電偶低；當上限溫度 ，可選 型或 型；當測溫范圍為 時，可選或 型熱電 偶；當測溫范圍為時，應(yīng)選型熱電偶；當測溫上限大 于，應(yīng)考慮選用還屬非國際標準的鎢錸系列熱電偶（其最高上限溫 度可達，但超過其準確度要下降；要注意保護，因為鎢 極易氧化，必須用惰性或干燥氫氣把熱電偶與外界空氣嚴格隔絕。不能用于含 碳氣氛）或非金屬耐高溫熱電偶（國內(nèi)還未商品化，這里不再一一列舉）。 在氧化氣氛下，且被測溫度上限小于 ，應(yīng)優(yōu)先選用抗氧化能力 強的賤金屬 型或 型；當測溫上限高于 ，應(yīng)選、 或 型 貴金屬熱電偶。在真空或還原性氣氛下，當上限溫度低于 時，應(yīng)優(yōu) 先選用

26、型熱電偶（不僅可在還原氣氛下工作，也可在氧化氣氛中使用），高 于此限，選鎢錸系列熱電偶，或非貴金屬系列熱電偶，或選采取特別的隔絕保 護措施的其他標準熱電偶。工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖。 常用熱電偶的熱電特性均有現(xiàn)成分度表可查。溫度與熱電勢之間的關(guān)系也 可以用函數(shù)式表示，稱為參考函數(shù)。給出了新的熱電偶分度表和 參考函數(shù)，它們是熱電偶測溫的依據(jù)。 熱電偶結(jié)構(gòu) （） 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。如圖所 示，熱電偶通常主要由熱端、熱偶絲、保護管、安裝固定件和接線盒部分組 成。為了保證熱電偶正常工作，對其結(jié)構(gòu)提出如下要求： 測量端的焊接要牢固； 熱電極間必須有良好的絕緣

27、； 參比端與導線的連接要方便、可靠； 用于對熱電極有害的介質(zhì)進行測量時，須采用保護管，將有害介質(zhì)隔 開。 （） 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。它的主要優(yōu)點是： 測量范圍寬 鎧裝熱電偶規(guī)格多，品種齊全，適合于各種測量場合，在 溫度范圍內(nèi)均能使用； 響應(yīng)速度快 與裝配式熱電偶相比，因為外徑細、熱容量小，故微小的 溫度變

28、化也能迅速反應(yīng)，尤其是微細鎧裝熱電偶更為明顯，露端鎧裝熱電偶的 時間常數(shù)只有； 撓性好、安裝使用方便 鎧裝熱電偶材料可在其外徑倍的圓柱體上繞 圈，并可在多處位置彎曲； 使用壽命長 普通熱電偶易引起熱電偶劣化、斷線等事故，而鎧裝熱電 偶用氧化鎂絕緣，氣密性好，致密度高，壽命長； 機械強度、耐壓性能好 在有強烈震動、低溫、高溫、腐蝕性強等惡劣 條件下均能安全使用，鎧裝熱電偶最高可承受的壓力； 鎧裝熱電偶外徑尺寸范圍寬 鎧裝熱電偶材料的外徑范圍為 ，特殊要求時可提供直徑達的產(chǎn)品； 鎧裝熱電偶的長度可以做得很長 鎧裝熱電偶材料的最大長度可達 。 熱電偶溫度測量 （） 補償導線 在一定溫度范圍內(nèi)，與配用

29、熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的導 線稱為補償導線。若與所配用的熱電偶正確連接，其作用是將熱電偶的參比端 延伸到遠離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方。使用補償導線的優(yōu)點： 改善熱電偶測溫線路的機械與物理性能，采用多股或小直徑補償導線可 提高線路的撓性，接線方便，也可以調(diào)節(jié)線路的電阻或屏蔽外界干擾； 降低測量線路的成本。當熱電偶與儀表的距離很遠時，可用賤金屬補償 型補償導線代替貴金屬熱電偶。 在現(xiàn)場測溫中，補償導線除了可以延長熱電偶參比端，節(jié)省貴金屬材料 外，若采用多股補償導線，還便于安裝與鋪設(shè)；用直徑粗、電導系數(shù)大的補償 導線，還可減少測量回路電阻。采用補償導線雖有許多優(yōu)點，但必須掌握它的 特

30、點，否則，不僅不能補償參比端溫度的影響，反而會增加測溫誤差。補償導 線的特點是：在一定溫度范圍內(nèi)，其熱電性能與熱電偶基本一致。它的作用只 是把熱電偶的參比端移至離熱源較遠或環(huán)境溫度恒定的地方，但不能消除參比 端不為 的影響，所以，仍須將參比端的溫度修正到 。 補償導線使用時的注意事項如下： 各種補償導線只能與相應(yīng)型號的熱電偶匹配使用；連接時，切勿將補償 導線極性接反； 補償導線與熱電偶連接點的溫度，不得超過規(guī)定的使用溫度范圍，通常 接點溫度在 以下，耐熱用補償導線可達 ； 由于補償導線與電極材料通常并不完全相同，因此兩連接點溫度必須相 同，否則會產(chǎn)生附加電勢、引入誤差； 在需高精度測溫場合，處

31、理測量結(jié)果時應(yīng)加上補償導線的修正值，以保 證測量精度。 （） 參比端處理 我們經(jīng)常使用的熱電偶分度表，都是以熱電偶參比端為條件下制作 的。在實驗室條件下可采取諸如在保溫瓶內(nèi)盛滿冰水混合物（最好用蒸餾水及 用蒸餾水制成的冰），并且，保溫瓶內(nèi)要有足夠數(shù)量的冰塊，保證參比端為 （值得注意的是，冰水混合物并不一定就是 ，只有在冰水兩相界面 處才是 ）。或利用半導體制冷的原理制成的電子式恒溫槽使參比端溫度保 持在 。 在工業(yè)測溫現(xiàn)場一般不能使參比端保持 ，在計算機尤其是微處理器和 單片機推廣普及前，這是個十分令人頭痛的問題。各國從事熱電偶溫度測量研 究與應(yīng)用的科技工作者，對各種分度號熱電偶參比端不為，設(shè)

32、計了許多補 償方案和專用補償電路，并因此申報了許多專利。但這些成果的適用范圍和應(yīng) 用效果都不很理想。 現(xiàn)在由于計算機，尤其是微處理器和單片機的推廣普及，智能化測溫儀普 遍采用下述以軟件為主的補償方式： 當熱電偶的測量端和參比端溫度分別為 、，假定 ，則熱電動勢 可變成 式中， （ ， ）為測量端和參比端溫度分別為 、 時的熱 電勢； （ ，）為測量端和參比端溫度分別為 、 時的 熱電勢； （ ， ）為測量端和參比端溫度分別為 、時的熱電 勢。 在工業(yè)現(xiàn)場實際測量溫度時，智能化儀器增加一路測量參比端（由于其置于現(xiàn) 場正常環(huán)境中，溫度變動范圍不大，因此，測量參比端的感溫元件可采用價格 十分低廉的銅

33、電阻或半導體集成溫度傳感器或等）溫 度的電路。 （ ，）是由智能化儀器通過測量端和參比端輸入 回路直接測得， （ ，）則由智能化儀器根據(jù)另一路測得的參比端 環(huán)境溫度 ，通過查找存入儀器程序存儲器中的對應(yīng)熱電偶分度表得到，兩 者相加求得 （ ，）；再由 （ ，）儀器程序存儲器中的對 應(yīng)熱電偶分度表得到熱電偶測量端的真實溫度 的數(shù)值。 以上這種方法對各種標準化與非標準化熱電偶均適用，具有成本十分低 廉，補償精度高的特點，因此目前已被各種智能化（熱電偶）測溫控溫儀器廣 泛采用。 【例】 用 型熱電偶測爐溫時，測得參比端溫度 ； 測得測量端和參比端間的熱電動勢 （ ，），試求實 際爐溫。 【解】 由

34、型分度表查得 （，），由公式可得到： 再查 型分度表，由 查得實際爐溫。 上述例子中，若參比端不作修正，則按所測測量端和參比端間的熱電動勢 （，） 查型分度表得對應(yīng)的爐溫為 ， 與實際爐溫 相差 ，由此產(chǎn)生的相對誤差約為 。由此可 見，如果不考慮參比端溫度修正和補償，有時將產(chǎn)生相當大的(溫度)測量誤 差。 5 、 新型溫度傳感器及其測溫技術(shù)： a) 石英溫度傳感器： b) 一線制數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 ： 的封裝與外部引腳 是美國 公司新推出的熱電式半導體數(shù)字集成 溫度傳感器。它也是利用半導體 結(jié)在其正常工作溫度范圍內(nèi)結(jié)電壓隨溫度 上升而下降的原理精心設(shè)計實現(xiàn)的。有多種封裝形式，其中一

35、 種外形與小功率晶體管非常相像，體積與一顆綠豆差不多大小。幾種 形式的封裝與引腳定義如圖。 內(nèi)部功能電路模塊 的主要功能和特點 對外有效引腳僅條，即電源、地和信號線。其主要功能和 特點如下： （） 采用獨特的“一線制”通信方式，信號符合電平，無須任何外圍 器件，可直接和各種單片機或微處理器的引腳相連，為簡化系統(tǒng)設(shè)計提 供了極大的方便； （） 溫度測量范圍為 ，在 溫度范圍 內(nèi)，測量精度可達到 ； （） 可編程的溫度轉(zhuǎn)換分辨率，可根據(jù)應(yīng)用需要在之 間選?。?（） 在溫度轉(zhuǎn)換分辨率下，溫度轉(zhuǎn)換時間最大為； （） 用戶可編程自設(shè)置報警溫度存入片內(nèi)非易失性存儲器中，實現(xiàn)溫度上、 下限自動報警功能； （

36、） 電源供電范圍，的讀、寫操作以及溫度轉(zhuǎn) 換期間所需的電能可通過數(shù)據(jù)線提供，也可由外部電源提供； （）采用節(jié)能設(shè)計，在等待狀態(tài)下功耗近似為零。 的應(yīng)用 三、 誤差： 1、 誤差的含義： 測量是一個變換、放大、比較、顯示、讀數(shù)等環(huán)節(jié)的綜合過程。由于檢測 系統(tǒng)（儀表）不可能絕對精確，測量原理的局限、測量方法的不盡完善、環(huán)境 因素和外界干擾的存在以及測量過程可能會影響被測對象的原有狀態(tài)等，也使 得測量結(jié)果不能準確地反映被測量的真值而存在一定的偏差，這個偏差就是測 量誤差。 2、 檢測儀器的精度等級與容許誤差： 精度等級： 工業(yè)檢測儀器（系統(tǒng)）常以最大引用誤差作為判斷精度等級的尺度。人為 規(guī)定：取最大

37、引用誤差百分數(shù)的分子作為檢測儀器（系統(tǒng)）精度等級的標志， 也即用最大引用誤差去掉正負號和百分號后的數(shù)字來表示精度等級，精度等級 用符號 表示。 為統(tǒng)一和方便使用，國家標準測量指示儀表通用技術(shù) 條件規(guī)定，測量指示儀表的精度等級 分為、 、七個等級，這也是工業(yè)檢測儀器（系統(tǒng)）常 用的精度等級。檢測儀器（系統(tǒng)）的精度等級由生產(chǎn)廠商根據(jù)其最大引用誤差 的大小并以選大不選小的原則就近套用上述精度等級得到。 例如，量程為的數(shù)字電壓表，如果其整個量程中最大絕對 誤差為，則有 由于不是標準化精度等級值，因此需要就近套用標準化精度等 級值。位于 級和級之間，盡管該值與更為接 近，但按選大不選小的原則該數(shù)字電壓表的精度等級 應(yīng)為級。因此， 任何符合計量規(guī)范的檢測儀器（系統(tǒng)）都滿足 由此