第2章溫度測量-王威立

第二章

溫度檢測為什么要進(jìn)行溫度測量？對溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量和有效控制已成為人們在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中所面臨的重要課題之一。溫度建立以及測量基礎(chǔ)----熱平衡。當(dāng)兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導(dǎo)熱換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度，這就是溫度最基本的性質(zhì)。主要內(nèi)容溫標(biāo)的概念。按測量方法分類，介紹接觸式測溫方法，包括熱電阻溫度傳感器和熱電偶溫度傳感器。在測溫新技術(shù)方面重點學(xué)習(xí)集成溫度傳感器（模擬）和單總線數(shù)字溫度傳感器（D20S18B）的工作原理。2.1溫標(biāo)及測溫方法溫度標(biāo)尺又簡稱為溫標(biāo)，是用來衡量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)尺度。經(jīng)驗溫標(biāo)1.攝氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點為0度，水沸點為100度，中間等分為100格，每格為攝氏1度，符號為℃。２.華氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點為32度，水沸點為212度，中間等分180格，每格為華氏1度，符號為℉。經(jīng)驗溫標(biāo)的局限性：經(jīng)驗溫標(biāo)是借助于一些物質(zhì)的物理量與溫度之間的關(guān)系，用實驗方法得到的經(jīng)驗公式來確定溫度值的標(biāo)尺，因此它具有局限性和任意性。熱力學(xué)溫標(biāo)定義的理論基礎(chǔ)：1848年物理學(xué)家開爾文(Kelvin)首先提出將溫度數(shù)值與理想熱機(jī)的效率相聯(lián)系，即根據(jù)熱力學(xué)第二定律來定義溫度的數(shù)值，這樣就可以與任何特定物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)了。熱力學(xué)第二定律：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。國際溫標(biāo)建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的熱力學(xué)溫標(biāo)是一種科學(xué)的溫標(biāo)，通常可用定容氣體溫度計來實現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。具有2個基本特點：①復(fù)現(xiàn)精度高并能確保量值的統(tǒng)一；②用以復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計使用方便，性能穩(wěn)定。

t=T-273.15常用測溫方法及特點2.2電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器利用隨溫度而變化的電阻值來進(jìn)行測溫的；具有測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。(1)熱電阻對材料的要求

①電阻相對溫度系數(shù)a值要大

a值的定義是溫度從0℃變化到100℃時，電阻值的相對變化率。

a值的大小表示了熱電阻的靈敏度②電阻率β要大

β值表示在單位體積時的電阻值。

β=dR/dV

對于一定的電阻值來說，β值越大則表明熱電阻的體積越小，則熱容量小，動態(tài)特性就好。金屬電阻與溫度的關(guān)系

(3)金屬熱電阻

①鉑熱電阻鉑熱電阻精度高、線性好、測溫范圍寬，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，但價格高。在高溫時適于在氧化氣氛中使用，在真空和還原氣氛中使用將導(dǎo)致電阻值漂移。鉑熱電阻的參考函數(shù)在0℃上、下溫區(qū)各不相同，但參考函數(shù)的系數(shù)相同，其數(shù)學(xué)模型為：當(dāng)-200～0℃Rt=R0(1+At+Bt2) 當(dāng)0～850℃Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］ 式中A=3.9083×10-3(1/℃)，B=-5.802×10-7(1/℃2),C=-4.273×10-12(1/℃3)。②銅熱電阻銅熱電阻線性好，價格低，但電阻率低，因而體積大，熱響應(yīng)慢。銅熱電阻的數(shù)學(xué)模型為：

Rt=R0(1+At+Bt２+Ct３) 式中A=4.28899×10-3(1/℃)，

B=-2.133×10-7(1/℃2)，

C=1.233×10-9(1/℃3)。(3)熱電阻的結(jié)構(gòu)二線制三線制四線制四線制連接熱電阻和電位差計的測量方法是比較完善的方法，它不受任何條件的約束，總能夠消除連接導(dǎo)線電阻的影響。但恒流源要求穩(wěn)定。半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器

熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的測溫敏感元件。熱敏電阻有正溫度系數(shù)(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和臨界溫度系數(shù)(CTR)三種。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似表示為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的a值為：

與金屬熱電阻相比，半導(dǎo)體熱敏電阻具有如下優(yōu)點：（1）具有較大的負(fù)電阻溫度系數(shù)，約為－(3~6)%，因此靈敏度比較高；（2）半導(dǎo)體材料的電阻率遠(yuǎn)比金屬材料大得多，因此它的體積可做得非常小，同時熱慣性就小并適合用于測量點溫度與動態(tài)溫度；（3）電阻值很大，故連接導(dǎo)線的電阻變化的影響可以忽略；（4）結(jié)構(gòu)簡單。

它的缺點是同種半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻溫度特性分散性大，非線性嚴(yán)重，元件性能不穩(wěn)定，因此互換性差，精度較低，測溫范圍較窄，目前只能達(dá)到-50～300℃。

熱敏電阻的應(yīng)用:1、溫度測量

2、溫度補(bǔ)償

3、溫度控制

4、過熱保護(hù)溫度測量金屬一般具有正的溫度系數(shù)，采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，可以抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差溫度補(bǔ)償

用熱敏電阻與一個繼電器的繞組串聯(lián)，并加上恒定的電壓，當(dāng)周圍介質(zhì)溫度升到某一數(shù)值時，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?。因此，?dāng)溫度升高到一定數(shù)值時，繼電器動作（繼而指示燈亮、蜂鳴器響、斷電等），繼電器的動作反應(yīng)溫度的大小，所以熱敏電阻可以做溫度控制。溫度控制熱電偶傳感器熱電偶是目前世界上科研和生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢（mV）信號，配以測量毫伏的儀表或變送器可以實現(xiàn)溫度的測量或溫度信號的轉(zhuǎn)換。具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時間短等各種優(yōu)點。它既可以用于流體溫度測量，也可以用于固體溫度測量。既可以測量靜態(tài)溫度，也能測量動態(tài)溫度。并且直接輸出直流電壓信號，便于測量、信號傳輸、自動記錄和控制等。熱電偶的測溫原理

兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成閉合回路，如下圖所示。當(dāng)A和B相接的兩個接點溫度T和T0不同時，則在回路中就會產(chǎn)生一個電勢，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。由此效應(yīng)所產(chǎn)生的電勢，通常稱為熱電勢，用符號EAB（T，T0）表示。BATT0參考端冷端工作端熱端

圖中的閉合回路稱為熱電偶，導(dǎo)體A和B稱為熱電偶的熱電極。熱電偶的兩個接點中，置于被測介質(zhì)（溫度為T）中的接點稱為工作端或熱端，溫度為參考溫度T0的一端稱為參考端或冷端。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢。BATT0參考端冷端工作端熱端

接觸電勢用EAB(T)表示，其數(shù)值可用下式表示

式中e——單位電荷，4.802X10-10靜電單位；

K——波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；

NA(T)、NB(T)——材料A、B在溫度為T時自由電子密度

T——A、B接觸點的溫度，K。從理論上可以證明該接觸電勢的大小和方向主要取決于兩種材料的性質(zhì)（電子密度）和接觸面溫度的高低。溫度越高，接觸電勢越大；兩種導(dǎo)體電子密度比值越大，接觸電勢也越大。1．接觸電勢2．溫差電勢根據(jù)物理學(xué)電磁場理論，溫差電勢可表示為

式中符號同前式。3．熱電偶閉合回路的總熱電勢

對于由A和B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶閉合回路，設(shè)兩端溫度接點溫度分別為T和T0，且T>T0，NA>NB；那么回路中存在兩個接觸電勢EAB(T)和EAB(T0)，兩個溫差電勢EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的總熱電勢為

根據(jù)電磁場理論，可得當(dāng)熱電偶材料一定時，熱電偶的總電勢成為溫度T和T0的函數(shù)差。即如果使冷端溫度T0固定,則對一定材料的熱電偶，其總電勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即

實際應(yīng)用中，熱電勢與溫度之間的關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定。分度表是在參考端溫度為0℃時，通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。由此可得有關(guān)熱電偶的幾個結(jié)論

(1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電勢為零。(2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點溫度相等，即T=T0，回路總電勢為零。

(3)熱電勢只與結(jié)點溫度有關(guān)，與中間各處溫度無關(guān)。

3.熱電偶的基本定律(1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的總熱電動勢不變。如圖所示，可得回路總的熱電動勢：

EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)根據(jù)這個定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，將熱電勢通過導(dǎo)線接至測量儀表進(jìn)行測量，且不影響測量精度。(2)中間溫度定律在熱電偶測量回路中，測量端溫度為T，自由端溫度為TO，中間溫度為ＴO(shè)′，如右圖所示。則T，TO熱電勢等于T，TO′與TO′，TO熱電勢的代數(shù)和。即：EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO)運(yùn)用該定律可求出冷端為任意溫度下熱電偶的熱電動勢；也可用于消除熱電偶參考端溫度變化影響。

(3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律（也稱組成定律）如右圖所示。已知熱電極A、B與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成的熱電偶在結(jié)點溫度為(T，T0)時的熱電動勢分別為EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢EAB(T，T0)可按下面公式計算：EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作。例2.1當(dāng)T為100℃，T0為0℃時，鉻合金—鉑熱電偶E(100℃，0℃)=+3.13mV，鋁合金—鉑熱電偶的E(100℃，0℃)=-1.02mV，求鉻合金—鋁合金組成熱電偶的熱電勢E(100℃，0℃)。解：設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。即：EAC(100℃，0℃)=+3.13mVEBC(100℃，0℃)=-1.02mV則：EAB(100℃,0℃)=EAC–EBC=+4.15mV熱電偶的材料

雖然任意兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料都可以配對制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求卻是多方面的。（1）兩種材料所組成的熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢，以得到較高的靈敏度，且要求熱電勢和溫度之間盡可能呈線性的函數(shù)關(guān)系。（2）能應(yīng)用于較寬的溫度范圍，物理化學(xué)性能、熱電特性都較穩(wěn)定。即要求有較好的耐熱性、抗氧性、抗還原、抗腐蝕等性能。（3）要求熱電偶材料有高導(dǎo)電率和低電阻溫度系數(shù)。（4）具有較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)。具有滿意的復(fù)現(xiàn)性，價格便宜。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩種。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互換，精度有一定的保證，并有配套的顯示、記錄儀表可供選用，為應(yīng)用提供了方便。(4)非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶發(fā)展很快，主要目的是進(jìn)一步擴(kuò)展高溫和低溫的測量范圍。由于對這一類熱電偶的研究還不夠成熟，雖然已有產(chǎn)品，也能夠使用，但還沒有統(tǒng)一的分度表，使用前需個別標(biāo)定，以確定熱電勢和溫度之間的關(guān)系。熱電偶的結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)有普通和鎧裝兩種。①普通型結(jié)構(gòu)它一般由熱電極、絕緣套管、外保護(hù)套管和接線盒組成1—測量端；2—熱電極；3—絕緣套管；4—保護(hù)管；5—接線盒

②鎧裝結(jié)構(gòu)鎧裝熱電偶的測溫元件將熱電偶絲、絕緣材料(氧化鎂粉等)和金屬保護(hù)套管三者組合裝配后，經(jīng)拉伸加工而成的一種堅實的組合體。柔性安裝型鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖熱電偶的冷端處理與補(bǔ)償熱電勢的大小與熱端溫度有關(guān)，也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度固定不變，才能通過熱電勢的大小去判斷熱端溫度的高低。當(dāng)冷端溫度波動較大時，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，然后再考慮將冷端處理為0℃，這稱為熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償。①補(bǔ)償導(dǎo)線法在100℃(或200℃)以下的常溫范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線具有與所匹配的熱電偶的熱電勢標(biāo)稱值相同的特性。用它連接熱電偶可起到延長熱電偶冷端的作用。熱電偶技術(shù)補(bǔ)償導(dǎo)線有兩方面的優(yōu)點：其一是改善了熱電偶測溫線路的物理性能和機(jī)械性能。其二是降低了線路的成本。

國際電工委員會也制定了補(bǔ)償導(dǎo)線國際標(biāo)準(zhǔn)，適合于標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶使用須注意的問題：1.補(bǔ)償導(dǎo)線連接端的工作溫度不能超出（0-100℃），否則會給測量帶來誤差。2.各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶匹配使用。3.由于補(bǔ)償導(dǎo)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。4.連接補(bǔ)償導(dǎo)線時要注意區(qū)分正負(fù)極，使其分別與熱電偶的正負(fù)極一一對應(yīng)。5.在需高精度測溫場合，處理測量結(jié)果時應(yīng)加上補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值以保證測量精度。②計算法在實際的應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0℃，而是環(huán)境溫度t1，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度t1與冰點t0之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。根據(jù)連接導(dǎo)體和中間溫度定則有：

E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0)

可用室溫計測出環(huán)境溫度t1