專題5溫度傳感器

專題5溫度傳感器2023/2/512023/2/52溫度測量的基本概念

溫度標志著物質內部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內部分子熱運動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫高溫2023/2/535.1概述5.1.1溫標溫標：溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)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。1）國際上常用的溫標（1）熱力學溫標(K,開爾文):它規(guī)定從“絕對零”(absolutezero)至水的三相（固、液、氣）點溫度（相當于攝氏0℃）之間劃分273.16等分，每一等分為1K。（2）攝氏溫標(℃，攝氏度)。以熱力學溫度與比水三相點低0.01K的熱狀態(tài)之差表示的溫度。攝氏溫度t與熱力學溫度T之間的數(shù)值關系為t（℃）=T（K）?273.15 （3）華氏溫標（?F，華氏度）。分度方法是在標準大氣壓下，將冰的融點定為32?F，把水的沸點定為212?F，在這兩固定點間劃分180等分，每一等分為1?F。華氏溫標（m）與攝氏溫標（n）的關系為:m=(1.8n+32)?F，n=5(m－32)/9℃

2023/2/54幾種溫標的對比正常體溫為37C

，相當于華氏溫度多少度？2023/2/55熱力學溫標（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（Kelvin）根據(jù)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）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像2023/2/561990國際溫標(ITS-90)

從1990年1月1日開始在全世界范圍內采用1990年國際溫標，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)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。

2023/2/575.1.1溫標1）國際上常用的溫標（4）國際溫標。從實用角度建立的一種溫標，與熱力學溫標基本一致，且溫度復現(xiàn)性好，以保證國際上溫度量值傳遞的一致性和準確性。目前最新國際溫標ITS—90內容為：①按溫度高低分成4個溫區(qū)來定義（即0.65～5.2K、4.2～24.6K、13.8K～961.78℃和>961.78℃），并對每個區(qū)指定了標準測溫儀器和內插公式。②規(guī)定了17種高純度物質（He、Ne、H2、O2、Ar、Hg、H2O、Ga、In、Sn、Zn、Al、Ag、Au、Cy……）的相平衡點溫度作為溫度基準點，如水（H2O）三相點273.16K或0.01℃；銀（Ag）的凝點為1234.93K或961.78℃。③規(guī)定熱力學的溫度為基本溫度，用符號T表示，單位為K。同時規(guī)定還可以使用攝氏溫度，并以t表示，單位為℃。此時有數(shù)值關系T=t+273.15。2023/2/585.1.2溫度測量的特點溫度是一個非常重要的物理參數(shù)，它和自然界中的任何物理和化學過程相聯(lián)系。溫度變化影響物質的許多物理特性等。生產過程和溫度緊密相聯(lián)。各領域都特別重視溫度的測量和控制。宏觀上看，溫度是物體冷熱程度的表示；熱平衡的兩物體，其溫度相等。微觀上看，溫度是物體內部分子無規(guī)則運動激烈程度的標志。溫度越高，分子運動越激烈。溫度測量的特殊性：（1）無可用基本標準直接進行比較；（2）溫度是以熱平衡為基礎的，只能進行溫度相等或不相等的描述，不能對兩個溫度相加或相減。2023/2/595.1.3測溫方法與傳感器的分類溫度的特殊性形成了溫度測量的多樣性。測溫方法有兩類。（1）接觸式測溫

感溫元件直接接觸被測對象，通過充分熱交換，達到熱平衡時，感溫元件的某一物理參量值代表被測對象的溫度。特點：直觀可靠，但感溫元件影響被測溫度場分布，接觸不良帶來誤差，高溫和腐蝕性介質影響感溫元件性能和壽命。常見測溫儀：①膨脹式溫度計；②電阻溫度計；③熱電偶溫度計；④其他原理的溫度計。（2）非接觸式測溫通過輻射進行熱交換，不破壞原有溫場；有較高的測溫上限；熱慣性小，適于測量運動物體的溫度和快變的溫度。2023/2/510

溫度傳感器按照用途可分為基準溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。

2023/2/511介紹幾種溫度測量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨2023/2/512變色涂料在電腦內部溫度中的示溫作用CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色2023/2/513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2023/2/514紅外溫度計2023/2/515熱電偶測溫的主要優(yōu)點

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-270C

，上限可達1800C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。2023/2/516

(3)測溫范圍分區(qū)與其測量手段超低溫：0～10K，低溫：1～800K，中溫：500～1600℃，高溫：1600～2500℃，超高溫：2500℃以上。超低溫，現(xiàn)有方法都只能測該范圍內的個別小區(qū)段。例如低于1K的采用磁性溫度傳感器，高于4K的用熱噪聲溫度傳感器。低溫，測量的特殊在于感溫元件對被測溫度場的影響，不宜用熱容大的感溫元件。中、高溫，需防止有害介質的化學作用和熱輻射影響感溫元件，常用耐火的外套保護元件。低于1300℃的溫度，一般用陶瓷外套，測更高溫度用難熔材料(剛玉)外套并充惰性氣體。超高溫，因物質處于等離子體狀態(tài)，不同粒子的能量對應的溫度不同，且可能相差較大，變化規(guī)律也不同。應根據(jù)不同情況使用亮度溫度計和比色溫度計來測量。2023/2/5175.2PN結溫度傳感器

PN結的溫度特性

二極管的正向電壓降UD以-2mV/℃變化2023/2/518集成溫度傳感器的類型

集成溫度傳感器可分為：模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型的輸出信號形式有電壓型和電流型兩種。電壓型的靈敏度多為10mV/℃（以攝氏溫度0℃作為電壓的零點），電流型的靈敏度多為1μA/K（以絕對溫度0K作為電流的零點）；數(shù)字型又可以分為開關輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。

2023/2/519電壓輸出型集成溫度傳感器——

LM35/45LM35/45的外形及引腳圖

2023/2/520電壓輸出型集成溫度傳感器

——

LM35/45

LM35/45構成的攝氏溫度測量電路及組裝成的測溫傳感器2023/2/521在電腦中，集成溫度傳感器用于CPU散熱保護電路散熱風扇集成溫度ICCPU插座CPU散熱片2023/2/522MAX6502用于控制散熱風扇的轉速當CPU進行復雜運算時，風扇處于全速運行。場效應管功率驅動2023/2/5235.3熱電阻溫度傳感器

一、金屬熱電阻

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(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。2023/2/524

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)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

。

2023/2/525易提純、復現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

2023/2/526表2-2熱電阻的主要技術性能

2023/2/527圖2-21

熱敏電阻的外形、結構及符號

a）圓片型熱敏電阻b）柱型熱敏電阻c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型e）厚膜型f）圖形符號1—熱敏電阻2—玻璃外殼3—引出線4—紫銅外殼5—傳熱安裝孔

薄膜型及普通型鉑熱電阻

2023/2/529小型鉑熱電阻

2023/2/530防爆型鉑熱電阻

2023/2/531汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻2023/2/532學習查“鉑熱電阻分度表”附錄鉑熱電阻分度表

2023/2/533鉑電阻溫度顯示、變送器2023/2/534可設定溫度的溫度控制箱

旋轉式機械設定開關

撥碼式設定開關2023/2/535熱電阻的測量轉換電路2023/2/5362023/2/5372023/2/538二、熱敏電阻

熱敏電阻有負溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。

NTC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(shù)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。2023/2/539下圖所示的五根曲線分別為哪一種熱敏電阻？123452023/2/540熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻2023/2/543其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻2023/2/544其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

MF58型（珠形）高精度負溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達電子有限公司資料）非標熱敏電阻非標熱敏電阻（續(xù)）

非標熱敏電阻（續(xù)）

2023/2/548熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD2023/2/549熱敏電阻體溫表

2023/2/550熱敏電阻體溫表的調試、標定方法

調試時，應該先調哪一只電位器，再調哪一只電位器？如何檢驗表面刻度中其他各點是否準確？具體步驟如何進行？

2023/2/551熱敏電阻用于CPU的溫度測量

（參考小熊在線公司資料）2023/2/552熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

2023/2/553鉑電阻傳感器構成的溫度檢測控制電路2023/2/5542023/2/5552023/2/5562023/2/5575.4熱電偶

本結學習的主要內容有:1、熱電偶的構成要求；2、了解熱電偶的工作原理，了解熱電偶的分類及特點；3、掌握控溫儀表的接線方法。2023/2/558先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

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右端稱為：自由端（參考端、冷端）

熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB2023/2/559通過以上演示得出結論

——有關熱電偶熱電勢的討論

熱電偶兩結點所產生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結點的溫差Δt

的函數(shù)：

EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢大致與兩個結點的溫差Δt

成正比2023/2/560從實驗到理論：熱電效應

1821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減?。ㄓ终f明什么？）

。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。

2023/2/561結點產生熱電勢的微觀解釋及圖形符號

兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T2023/2/562熱電偶的種類及結構

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

、R:鉑銠13—鉑、S:鉑銠10—鉑、K:鎳鉻—鎳硅、N:鎳鉻硅—鎳硅、E:鎳鉻—銅鎳、J:鐵—銅鎳、

T:銅—銅鎳

用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢

分度號

名稱

測量溫度范圍

1000C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻

(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？2023/2/564幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關系曲線分析

哪種熱電偶的測溫上限較高？

結論：

哪種熱電偶的線性較差？

哪一種熱電偶的靈敏度較高？

哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應的分度表，并且有相應的線性化集成電路與之對應。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

本教材p317的附錄E列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。如何利用熱電偶的分度表

假設熱電偶的冷端溫度為0C，請根據(jù)本教材p317的附錄E——工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表，查出－100C

、0C、

100C

時的熱電勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設定值溫度上限值設定鍵K熱電偶的分度表

比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？2023/2/568如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值

設冷端為0C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx

。2023/2/569普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2023/2/570普通裝配型熱電偶的

結構放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

2023/2/571鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面2023/2/572鎧裝型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點：內部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。

2023/2/573隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線2023/2/574隔爆型熱電偶

結構特點：隔爆熱電偶的接線盒在設計時采用防爆的特殊結構，它的接線盒是經過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當接線盒內一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預期的防爆、隔爆效果。

使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產廠、生產現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。2023/2/575其他熱電偶外形小形K型熱電偶2023/2/576如何根據(jù)常用電路設備的要求接線利用XMT儀表組成熱電偶測溫、控溫電路熱電偶2023/2/577

請將右圖各有關設備正確地連接起來，組成熱電偶測溫、控溫電路。黃綠紅L1

L2

L3

接大地銅排接零熱電偶輸出端電爐交流接觸器三相空氣開關2023/2/578380V線圈的交流接觸器連接過程

當溫度控制器測得的溫度達到設定值時，5-6兩端開路，交流接觸器失電，電爐回路被切斷。接大地銅排黃綠紅L1

L2

L3

電爐接零“3”端接何處熱電偶再看一次2023/2/579熱電偶冷端的延長

采用相對廉價的補償導線，可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設。

型號配用熱電偶正-負導線外皮顏色正-負SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙

補償導線在0～100C范圍內的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。補償導線型號（續(xù)）型號配用熱電偶正-負型號導線外皮顏色正-負100C時的熱電勢/mVRCR（鉑銠13—鉑）RC紅-綠0.647NCN（鎳鉻硅—鎳硅）NC紅-黃2.744EXE（鎳鉻—銅鎳）EX紅-棕6.319JXJ（鐵—銅鎳）JX紅-紫5.264TXT（銅—銅鎳）

TX紅-白4.2792023/2/581補償導線外形

A’B’屏蔽層保護層2023/2/582熱電偶的冷端溫度補償

必要性：

1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0C的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0C，而且也不恒定，因此將產生誤差。

2、一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢總是偏小。應想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。2023/2/583冷端溫度補償?shù)姆椒?/p>

一、冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0C不變。此法也稱冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室中。

2023/2/584冰浴法

在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長時間地保持在0C不變。2023/2/585冰浴法接線圖

1—被測流體管道

2—熱電偶

3—接線盒

4—補償導線

5—銅質導線

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—試管

10—新的冷端

2023/2/586二、計算修正法

當熱電偶的冷端溫度t00C時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0C時所測得的熱電勢EAB（t，0C）不等。若冷端溫度高于0C，則EAB（t，t0）<EAB（t，0C）?？梢岳孟率接嬎悴⑿拚郎y量誤差：

EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）2023/2/587計算修正法舉例

右圖所示為鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫電路，熱電極A、B直接焊接在鋼板上（V型焊接），A’、B’為補償導線，Cu為銅導線，已知接線盒1的溫度t1=40C，冰瓶中為冰水混合物，接線盒3的溫度t3=20.0C。求：1）冰瓶的溫度t2；2）將熱電極直接焊在鋼板上是應用了熱電偶的什么定律？3）當Ux=29.9mV時，估算被測點溫度tx；4）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升，與接線盒1的溫度相同，此時Ux=27.3mV，再求tx。2023/2/588三、儀表機械零點調整法

用螺絲刀調節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40C）的刻度上。機械零點指針被預調到室溫（40C

）可補償冷端損失2023/2/589四、電橋補償法

XT-WBC熱電偶冷端補償器

電橋補償法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補償熱電偶對應型號的補償電橋。

2023/2/590熱電偶的應用及配套儀表

由于我國生產的熱電偶均符合ITS-90國際溫標所規(guī)定的標準，其一致性非常好，所以國家又規(guī)定了與每一種標準熱電偶配套的儀表，它們的顯示值為溫度，而且均已線性化。國家標準的動圈式顯示儀表命名為XC系列。有指示型（XCZ）和指示調節(jié)型（XCT）等系列品種。與K型熱電偶配套的動圈儀表型號為XCZ-101或XCT-101等。數(shù)字式儀表也有指示型（XMZ）和指示調節(jié)型（XMT）等幾種系列品種。

2023/2/591XCZ系列指針式顯示儀表

XC系列動圈式儀表測量機構的核心部件是一個磁電式毫伏計。動圈式儀表與熱電偶配套測溫時，熱電偶、連接導線（補償導線）、調整電阻和顯示儀表組成了一個閉合回路。

1—熱電偶2—補償導線