過程檢測(cè)儀表電子教案第五章-溫度檢測(cè)儀

第五章溫度檢測(cè)儀表

概述5.1.1溫度的概念溫度是表征物體冷熱的程度的物理量。從微觀上講，溫度表示物質(zhì)內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的大小。熱平衡和熱效應(yīng)是溫度測(cè)量的重要基礎(chǔ)。5.1.2溫標(biāo)溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。

1．經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)(1)攝氏溫標(biāo)（℃）規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物的溫度為0℃，水的。沸點(diǎn)為100℃。(2)華氏溫標(biāo)（℉）規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,水的冰點(diǎn)溫度為32℉，水的沸點(diǎn)溫度定為212℉2．熱力學(xué)溫標(biāo)

熱力學(xué)溫標(biāo)是一種理想溫標(biāo)，規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度。溫度單位為開爾文（K)，大小定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16。3．國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)ITS

國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)是用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。（1）T90和t90之間關(guān)系保留以前溫標(biāo)定義中的計(jì)算關(guān)系，攝氏溫度的分度值與熱力學(xué)溫度分度值相同（2）ITS-90通過劃分溫區(qū)定義：0.65K到5.OK之間，由3He蒸汽壓與溫度的關(guān)系式來定義。3.OK到24.5561K之間，是用氦氣體溫度計(jì)來定義。13.8033K到1234.93K之間，是用鉑電阻溫度計(jì)來定義。（3）各溫區(qū)規(guī)定一組的定義溫度固定點(diǎn)，并規(guī)定內(nèi)插公式來分度。所采用的定義固定點(diǎn)一般是一些純物質(zhì)的三相點(diǎn)，或是溶點(diǎn)、凝固點(diǎn)。如O2、Ar、Hg、H2O的三相點(diǎn)；In、Sn、Al、Ag、Au、Cu的凝固點(diǎn)等。5.1.3測(cè)溫儀表的分類（1）按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類；（2）按工作原理可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等；5.2膨脹式溫度計(jì)熱膨脹式溫度計(jì)是利用液體、氣體或固體熱脹冷縮的性質(zhì)測(cè)量溫度。分為液體膨脹式溫度計(jì)和固體膨脹式溫度計(jì)兩大類。5.2.1膨脹式溫度計(jì)1．玻璃管液體溫度計(jì)組成：主要由玻璃溫包、毛細(xì)管、工作液體和刻度標(biāo)尺等組成。工作液：一般采用水銀和酒精作為工作液，其中水銀與其它液體相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如不粘附玻璃、不易氧化、測(cè)量溫度高、容易提純、線性較好、準(zhǔn)確度高。圖5.1玻璃管液體溫度計(jì)1—玻璃溫包；2—毛細(xì)管；3—刻度標(biāo)尺分類：按用途分類，可分為工業(yè)用玻璃管液體溫度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)玻璃管液體溫度計(jì)兩類。標(biāo)準(zhǔn)玻璃管液體溫度計(jì)，可作為檢定其它溫度計(jì)用，準(zhǔn)確度高，測(cè)量絕對(duì)誤差可達(dá)0.05～0.1℃。工業(yè)用玻璃管液體溫度計(jì)為了避免使用時(shí)被碰碎，在玻璃管外通常罩有金屬保護(hù)套管。2．雙金屬溫度計(jì)雙金屬片是由兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片疊焊在一起制成的測(cè)溫元件。利用兩種膨脹系數(shù)不同的金屬元件的膨脹差異測(cè)量溫度。雙金屬片受熱后由于兩種金屬片的膨脹系數(shù)不同而使自由端產(chǎn)生彎曲變形，彎曲的程度與溫度的高低成正比。x——雙金屬片自由端的位移；l——雙金屬片的長(zhǎng)度；d——雙金屬片的厚度；G——彎曲率，取決于雙金屬片的材料。圖5.3雙金屬片1—雙金屬片；2一指針軸；3一指針；4一刻度盤雙金屬片常被用作溫度繼電控制器、溫度開關(guān)或儀表的溫度補(bǔ)償器。雙金屬溫度計(jì)：螺旋形雙金屬片的一端固定在測(cè)量管的下部，另一端為自由端，與指針軸焊接在一起。當(dāng)被測(cè)溫度發(fā)生變化時(shí)，雙金屬片自由端發(fā)生位移，使指針軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由指針指示出被測(cè)溫度值。特點(diǎn)：雙金屬溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐振動(dòng)、耐沖擊、使用方便、維護(hù)容易、價(jià)格低廉，適于振動(dòng)較大場(chǎng)合的溫度測(cè)量。目前國(guó)產(chǎn)雙金屬溫度計(jì)的使用溫度范圍為-80～600℃，精度等級(jí)為1～2.5級(jí)。圖5.4雙金屬溫度計(jì)1-表玻璃；2-指針；3-刻度盤；4-表殼；5-安裝壓帽；6-金屬保護(hù)管；7-指針軸；8-雙金屬螺旋；9-固定端5.2.2壓力式溫度計(jì)

1．壓力式溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)及原理

結(jié)構(gòu)：由充有感溫介質(zhì)的感溫包、傳遞壓力的毛細(xì)管及壓力表組成。圖5.5壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖1-溫包；2-感溫介質(zhì)；3-毛細(xì)管；4-彈簧管；5-雙金屬元件

原理：溫包內(nèi)的感溫介質(zhì)若隨被測(cè)溫度升高時(shí)，其體積膨脹，但由于溫包、毛細(xì)管和彈簧管組成的封閉系統(tǒng)容積基本不變，介質(zhì)體積膨脹受限，造成系統(tǒng)壓力升高。經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管使其產(chǎn)生變形，進(jìn)而通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指示出相應(yīng)的溫度。特點(diǎn)：強(qiáng)度大、不易破損、讀數(shù)方便，準(zhǔn)確度較低、體積大。測(cè)溫范圍-100℃~600℃。類型：液體壓力溫度計(jì)、氣體壓力溫度計(jì)和蒸汽壓力溫度計(jì)。

(2)氣體壓力溫度計(jì)工作氣體：氮?dú)猓y(cè)溫上限可達(dá)500～550℃）；氫氣(測(cè)溫下限可達(dá)-120℃)。(3)蒸汽壓力溫度計(jì)其溫包中充入約占2/3容積的低沸點(diǎn)液體，其飽和蒸氣壓僅與氣液界面的溫度有關(guān)。通過毛細(xì)管傳遞彈簧管中，以指示被測(cè)溫度。工作液：氯甲烷、氯乙烷和丙酮等。優(yōu)點(diǎn)：溫包的尺寸比較小，靈敏度高；測(cè)量范圍小，T-P關(guān)系非線性，標(biāo)尺刻度不均勻。(1)液體壓力式溫度計(jì)感溫液體：水銀（測(cè)溫范圍-30~650℃）；甲醇（測(cè)溫范圍-100~150℃）；二甲苯（測(cè)溫范圍-100~400℃）。液體壓力溫度計(jì)使用時(shí)應(yīng)將溫包全部浸入被測(cè)介質(zhì)之中，否則會(huì)引起較大測(cè)量誤差。環(huán)境溫度變化過大，也會(huì)對(duì)示值產(chǎn)生影響。為此，在彈簧管的自由端與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間插入一條雙金屬片補(bǔ)償附加誤差。5.3熱電偶溫度計(jì)測(cè)量原理：熱電效應(yīng)。熱電偶能將溫度轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)熱電勢(shì)信號(hào)輸出。特點(diǎn)：測(cè)溫范圍廣，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳，應(yīng)用極為廣泛。圖5.6熱電偶溫度計(jì)組成示意圖組成：熱電偶、連接導(dǎo)線顯示儀表5.3.1熱電偶測(cè)溫原理1．熱電效應(yīng)熱電偶：由兩根不同的導(dǎo)體材料將一端焊接或絞接而成。焊接的一端稱為熱端（測(cè)量端）；另一端稱為冷端（參考端）。熱電偶產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。(1)溫差電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體兩端溫度不同、電子能量不同，造成導(dǎo)體內(nèi)自由電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，電子擴(kuò)散造成高、低溫端電荷的積累，形成靜電場(chǎng)Es。當(dāng)電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與擴(kuò)散力平衡時(shí)，電場(chǎng)Es產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的溫差電動(dòng)勢(shì)e——單位電荷，e=1.6×10-19

C；

K——波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；

NAt——為導(dǎo)體A在溫度t時(shí)的電子密度。

(2)接觸電勢(shì)兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)，由于電子密度不同，造成自由電子從高密度側(cè)向低密度側(cè)擴(kuò)散，電子擴(kuò)散造成接觸點(diǎn)處電荷的積累，形成靜電場(chǎng)Em。當(dāng)電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與擴(kuò)散力平衡時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的接觸電動(dòng)勢(shì)T——A、B導(dǎo)體接觸處的溫度；

NAT、NBT——分別為導(dǎo)體A、B在溫度T時(shí)的電子密度。圖5.8熱電偶回路電勢(shì)(3)熱電偶回路總電勢(shì)對(duì)于導(dǎo)體A和B組成的熱電偶回路，當(dāng)接點(diǎn)溫度T＞T0，NA>NB時(shí)，回路中總熱電勢(shì)為當(dāng)參考端的溫度T0恒定時(shí)，為常數(shù)，則

當(dāng)冷端保持溫度不變，則熱電偶回路總電勢(shì)只隨熱端的溫度變化而變化。在實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系是在參考端溫度為0℃時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)建立的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。2．熱電偶的基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶，其電勢(shì)大小與熱電極直徑、長(zhǎng)度及沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)。(2)中間導(dǎo)體定律若在熱電偶回路中插入中間導(dǎo)體（第三種導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)無影響。(3)中間溫度定律

(4)標(biāo)準(zhǔn)電極定律

5.3.2常用熱電偶的類型及結(jié)構(gòu)

1．熱電偶的類型及特點(diǎn)

熱電極的材料要求。①材料的熱電性能不隨時(shí)間而變化，即熱電特性穩(wěn)定。②電極材料有足夠的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，不易被氧化和腐蝕。③產(chǎn)生的熱電勢(shì)要足夠大，熱電靈敏度高。④熱電勢(shì)與溫度關(guān)系要具有單調(diào)性，最好呈線性或近似線性關(guān)系。⑤材料復(fù)現(xiàn)性好，便于大批生產(chǎn)和互換。⑥材料組織均勻，機(jī)械性能好，易加工成絲。⑦材料的電阻溫度系數(shù)小，電阻率要低。（1）標(biāo)準(zhǔn)熱電偶①鉑銠10-鉑熱電偶，分度號(hào)S。測(cè)量范圍：長(zhǎng)期使用1300℃以下，短期測(cè)量1600℃。特點(diǎn)：熱電特性穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，材料容易提純，缺點(diǎn)是熱電勢(shì)較低，價(jià)格昂貴，不能用于金屬蒸汽和還原性氣體中。②鉑銠30-鉑銠6熱電偶，分度號(hào)B。測(cè)量范圍：長(zhǎng)期使用1600℃以下，短期測(cè)量1800℃。特點(diǎn)：測(cè)量上限高，穩(wěn)定性好的、機(jī)械強(qiáng)度大，缺點(diǎn)是熱電勢(shì)小，不能用于0℃以下溫度測(cè)量。③鎳鉻-鎳硅熱電偶，分度號(hào)K。測(cè)量范圍：-270~+1300℃。在氧化性或中性介質(zhì)中長(zhǎng)時(shí)測(cè)量溫度900℃，在還原性介質(zhì)中，小于500℃。特點(diǎn)：熱電勢(shì)較大，熱電關(guān)系近線性，抗氧化性和抗腐蝕性強(qiáng)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性、復(fù)制性好，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是測(cè)量略低，穩(wěn)定性稍差。④鎳鉻-銅鎳熱電偶，分度號(hào)E。測(cè)量范圍：長(zhǎng)期使用-200~+600℃，短期測(cè)量-200~+800℃。特點(diǎn)：熱電勢(shì)大，靈敏度高，電阻率小，適用于還原性和中性氣氛下測(cè)溫，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是測(cè)量范圍低且窄，銅鎳合金易受氧化而變質(zhì)。⑤銅-銅鎳熱電偶，分度號(hào)T。測(cè)量范圍：-248℃~+370℃特點(diǎn)：熱電勢(shì)大,熱電特性好，價(jià)格低廉。低溫性能十分穩(wěn)定。不宜在氧化性氣氛中工作。

能滿足一些特殊條件下測(cè)溫的需要，如超高溫、極低溫、高真空或核輻射環(huán)境。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有鉑銠系、銥銠系、鎢錸系及金鐵熱電偶、雙鉑鉬等熱電偶。(2)非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶2．普通熱電偶的結(jié)構(gòu)(1)普通型熱電偶的組成圖5.12普通熱電偶結(jié)構(gòu)1—出線孔密封圈；2-出線孔壓緊螺母；3-防掉鏈；4-接線盒蓋；5—接線柱；6-密封圈；7-接線盒座；8-接線絕緣座；9-保護(hù)套管；10—絕緣管；11-熱電極①熱電極感溫元件，熱端焊接，冷端連接在接線盒內(nèi)接線柱上，與外部接線連接。貴金屬熱電極的直徑為0.015～0.5mm，普通金屬熱電極的直徑為0.2～3.2mm。長(zhǎng)度一般為0.35～2m左右。②絕緣管套在熱電極上防止熱電極短路。絕緣管的材料一般用耐火陶瓷(1200℃以下)、氧化鋁Al2O3(1600℃以下)和氧化鎂MgO(2000℃以下)。③保護(hù)管使熱電極與被測(cè)介質(zhì)隔離，免受化學(xué)侵蝕和機(jī)械損傷。材料如不銹鋼1Cr18Ni9Ti（900℃）、高溫鋼Cr25Ti（1000℃）、高溫不銹鋼CH40（1200℃）、氧化鋁Al2O3(1600℃)、氧化鎂MgO(2000℃)和氧化鋯ZrO2(2400℃)。④接線盒普通防濺型、防水型、防爆型等。(a)直形無固定裝置熱電偶(b)直形螺紋連接頭固定熱電偶(c)錐形螺紋連接頭固定熱電偶(d)直形法蘭固定熱電偶圖5.13普通熱電偶結(jié)構(gòu)形式（2）普通熱電偶的結(jié)構(gòu)類型3.特殊熱電偶(1)鎧裝熱電偶將保護(hù)套管、絕緣材料粉末與熱電極三者組合成一體，經(jīng)多次拉伸制成的細(xì)長(zhǎng)形像鐵絲樣的熱電偶。我國(guó)已生產(chǎn)出S型、R型、B型、K型、E型、J型鎧裝熱電偶。特點(diǎn)：體積小，熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；可撓性好，具有良好柔軟性；強(qiáng)度高，耐壓、耐震、耐沖擊。外徑最細(xì)能達(dá)0.25mm，長(zhǎng)度可達(dá)100m以上圖5.14鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)1-接線盒；2-保護(hù)管；3-固定裝置；4-絕緣材料；5-熱電極(2)薄膜型熱電偶用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍?cè)诮^緣基板上而制成。特點(diǎn)：測(cè)量端厚度約為幾個(gè)微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。適用于測(cè)量微小面積上的瞬變溫度。

圖5.15薄膜熱電偶1—工作端；2—薄膜熱電極；3—絕緣基板；4—引腳接頭；5—引出線（相同材料的熱電極）5.3.3熱電偶的冷端補(bǔ)償1．補(bǔ)償導(dǎo)線為節(jié)約貴重金屬熱電極材料，選擇一對(duì)價(jià)格低廉的金屬絲作為補(bǔ)償導(dǎo)線來延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)。補(bǔ)償導(dǎo)線在冷端溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生的熱電勢(shì)與主熱電偶的熱電勢(shì)相同。圖5.17利用補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)熱電偶的冷端1-測(cè)量端；2—熱電極；3一接線盒1(中間溫度)；4—補(bǔ)償導(dǎo)線；5—接線盒2(新的冷端)；6—銅引線(中間導(dǎo)體)；7-毫伏表使用注意：1）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶熱電極的兩個(gè)接點(diǎn)溫度必須相同；2）補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用；3）必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；4）極性切勿接反。型號(hào)配用熱電偶正-負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色100℃熱電勢(shì)/mV20℃時(shí)的電阻率/（Ω·ｍ）正負(fù)SC鉑銠10-鉑銅-銅鎳①紅綠0.646±0.0230.05×10-6KC鎳鉻-鎳硅銅-康銅紅藍(lán)4.096±0.0630.52×10-6WC5/26鎢錸5-鎢錸26銅-銅鎳②紅橙1.451±0.0510.10×10-62．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0℃不變。圖5.18冰浴法接線圖1-熱電偶；2-補(bǔ)償導(dǎo)線；3-銅質(zhì)導(dǎo)線；4-保溫瓶；5-冰水混合物；6-導(dǎo)熱油；7-試管；8-蓋；9-顯示儀表+-3．計(jì)算修正法

補(bǔ)償電橋串接在熱電偶回路中，與熱電偶的冷端同處于溫度T0下。電橋產(chǎn)生電勢(shì)與熱電偶電勢(shì)串聯(lián)疊加。電橋電阻R1、R2、R3為錳銅電阻，其電阻值恒定。電阻RCu由銅絲繞制，隨溫度而變化。

To=0℃，R1=R2=R3=RCu=1Ω，電橋平衡，無信號(hào)輸出。當(dāng)To變化時(shí)，RCu的阻值改變，電橋?qū)⑤敵霾黄胶怆妷篣ab=E(T0,0)。先測(cè)出冷端溫度T0，查熱電偶分度表求EAB（T，0），根據(jù)上式求出EAB（T，0），反查分度表，查出相應(yīng)的溫度值。4．補(bǔ)償電橋法

圖5.19補(bǔ)償電橋2.測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差的測(cè)溫電路3.測(cè)量多點(diǎn)溫度的測(cè)溫電路

5.3.4熱電偶常用測(cè)溫電路

1.測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路4.測(cè)量平均溫度的測(cè)溫電路5.測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和的測(cè)溫電路一體化溫度變送器由測(cè)溫元件和變送器模塊兩部分構(gòu)成。變送器模塊把測(cè)溫元件的輸出信號(hào)Et或Rt，轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mA.DC。一體化溫度變送器的基本誤差不超過量程的±0.5％，環(huán)境溫度影響約為每1℃變動(dòng)不超過0.05％，可安裝在-25～+80℃的環(huán)境中。特點(diǎn)：節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、不需調(diào)整維護(hù)。圖5.25一體化熱電偶溫度變送器工作原理圖5.3.5一體化熱電偶溫度變送器圖5.27熱電阻測(cè)溫電橋的三線連接法5.4熱電阻溫度計(jì)5.4.1熱電阻的測(cè)量原理

測(cè)量原理：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)測(cè)量溫度。組成：由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表構(gòu)成。測(cè)量范圍：﹣200～+850℃。熱電阻測(cè)量：常用電橋電路。三線制：可消除環(huán)境溫度造成引線電阻變化產(chǎn)生的測(cè)量誤差。R1、R2

、R3為橋路固定電阻，

Ra為零位調(diào)節(jié)電阻，熱電阻通過三根導(dǎo)線和電橋連接。引線電阻r1=r2=r3=r。橋路輸出電壓VCD=VCA-VDA。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，引線電阻r1、r3的變化產(chǎn)生的橋路電壓ΔVCA=ΔVDA，相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。、5.4.2常用熱電阻的種類及結(jié)構(gòu)

1．常用熱電阻（1）鉑熱電阻特點(diǎn)：鉑金屬物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易于提純，工作范圍為-200~850℃。在-200℃~0℃溫度范圍內(nèi)在0℃~850℃溫度范圍內(nèi)Rt——為t℃時(shí)的鉑電阻值；R0——為0℃時(shí)的鉑電阻值。A=3.90803×10-3℃-1；B=-5.775×10-7℃-2；C=-4.183×10-12℃-4。類型：Pt10、Pt100。（2）銅熱電阻特點(diǎn)：線性好，靈敏度高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)現(xiàn)性能好，易于氧化，電阻率低，體積大。測(cè)量范圍：-50～150℃Rt——為t℃時(shí)的銅電阻值；R0——為0℃時(shí)的銅電阻值。α0——系數(shù)，α0=4.28×10-3℃-1。類型：Cu50和Cul00

圖5.28熱電阻結(jié)構(gòu)1-電阻體；2-絕緣管；3-保護(hù)套管；4-安裝固定件；5-接線盒；6-接線端子；7-蓋；8-出線口熱電阻體結(jié)構(gòu)：

圖5.29電阻體結(jié)構(gòu)1-鉑絲；2-薄玻璃層；3-基體；4-釉層；5-引出線；6-云母基體；7-繞好的云母片；8-金屬夾片；9-外保護(hù)管；10-銅電阻2．熱電阻的結(jié)構(gòu)(1)普通熱電阻組成：主要由電阻體、絕緣管、保護(hù)管和接線盒等部分組成。（2）鎧裝熱電阻引線和保護(hù)管做成一體，具有較好的撓性，便于使用安裝，電阻體密封，不易受有害介質(zhì)的侵蝕。反應(yīng)速度快，有良好的機(jī)械性能、耐振性和沖擊性。圖5.30鎧裝熱電阻結(jié)構(gòu)尺寸小，可粘貼測(cè)量局部溫度，具有熱容量小、反應(yīng)快的特點(diǎn)。圖5.31薄膜型鉑熱電阻（3）薄膜熱電阻r1r2r3r4RtIVIMEM電壓表恒流源（2）四線式電阻測(cè)量電路因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3

）由上式知引線電阻r1-r4將不引起測(cè)量誤差。電壓表的值EM可認(rèn)為是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計(jì)算出微小溫度變化。不受其它條件約束；恒流源I穩(wěn)定。5.4熱電阻傳感器5、金屬熱電阻的應(yīng)用特點(diǎn)

與熱電偶相比，金屬熱電阻具有以下特點(diǎn)5.4熱電阻傳感器二、熱敏電阻

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，特別適于在-50℃～300℃之間測(cè)溫。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可根據(jù)需要制成各種形狀?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械性能強(qiáng)，價(jià)格低廉，壽命長(zhǎng)。

熱敏電阻的缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性、互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍較窄。5.4熱電阻傳感器1、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

金屬氧化物：鈷Co、錳Mn、鎳Ni等的氧化物采用不同比例配方、高溫?zé)Y(jié)而成。玻璃殼熱敏電阻引線（a）珠狀

（b）片狀

（c）桿狀

（d）墊圈狀優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可測(cè)點(diǎn)溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。5.4熱電阻傳感器熱敏電阻的主要參數(shù)5.4熱電阻傳感器2、熱敏電阻的溫度特性

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：NTC正溫度系數(shù)熱敏電阻：PTC

臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：CTR

04080120160200106104102100溫度℃電阻CTR

NTC

PTC

可見CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。5.4熱電阻傳感器（1）NTC的R-T特性

T

R試驗(yàn)求A、B：——0℃

（275.45K）——0℃

時(shí)的阻值5.4熱電阻傳感器NTC的伏安特性I

U

電流較?。壕€性，歐姆定律電流增加：阻值減小、非線性電流較大：阻值減小超過電流增加NTC的溫度系數(shù)

低溫段比高溫段靈敏

靈敏度比金屬熱電阻高（10倍）

5.4熱電阻傳感器38

線性化處理電阻網(wǎng)絡(luò)（線性化網(wǎng)絡(luò)）精密電阻與熱敏電阻串并聯(lián)1、串聯(lián)法AT

RT

R2、并聯(lián)法5.4熱電阻傳感器

NTC熱敏電阻生產(chǎn)最早、最成熟、使用范圍也廣，它特別適用于-50℃～300℃之間的溫度測(cè)量，目前己廣泛應(yīng)用于點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫度場(chǎng)等測(cè)量中，同時(shí)也應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償電路中。5.4熱電阻傳感器（2）（PTC）熱敏電阻器的電阻—溫度特性:其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，曲線如圖10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC5.4熱電阻傳感器PTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻—溫度曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時(shí)，溫度靈敏度低；當(dāng)溫度升高到Tp1后，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速增大）；當(dāng)溫度升到Tp2時(shí)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc，對(duì)應(yīng)有較大的溫度系數(shù)αtp

。

改變PTC的材料成分，可以得到不同的居里溫度點(diǎn)。PTC熱敏電阻主要用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過載保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，也可作為限流元件使用。5.4熱電阻傳感器熱敏電阻外形MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻3、熱敏電阻的應(yīng)用5.4熱電阻傳感器熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD5.4熱電阻傳感器熱敏電阻體溫表5.4熱電阻傳感器熱敏電阻用于CPU的溫度測(cè)量5.4熱電阻傳感器熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制5.4熱電阻傳感器JT正常：Rt較大、BG不導(dǎo)通、

J不吸合T升高：Rt減小、BG導(dǎo)通、

J吸合應(yīng)用：電機(jī)過熱保護(hù)熱電式繼電器5.4熱電阻傳感器5.5溫度測(cè)量元件的安裝1．能正確反映被測(cè)溫度①感溫元件與被測(cè)介質(zhì)能進(jìn)行充分的熱交換。②感溫元件應(yīng)與被測(cè)介質(zhì)形成逆流。③避免熱輻射所產(chǎn)生的測(cè)溫誤差。④避免感溫元件外露部分的熱損失所產(chǎn)生的測(cè)溫誤差。⑤避免熱電偶與火焰直接接觸。⑥負(fù)壓管道、設(shè)備中，必須保證其密封性，以免外界冷空氣襲入，降低測(cè)量指示值。壓力式溫度計(jì)的溫包中心與管道中心線重合，應(yīng)自上而下垂直安裝，毛細(xì)管不應(yīng)受拉力，不應(yīng)有機(jī)械損傷。⑧接線盒出線孔應(yīng)向下，以防水汽、灰塵與臟物等落入接線盒中影響測(cè)量。⑨水銀溫度計(jì)只能垂直或傾斜安裝，同時(shí)需觀察方便，不得水平、倒裝。①凡安裝承受壓力的感溫元件，都必須保證其密封性。②高溫?zé)犭娕迹瑧?yīng)盡可能垂直，防止保護(hù)管高溫下變形。若必須水平安裝時(shí)，應(yīng)裝有用耐火支架。③在介質(zhì)具有較大流速的管道中，安裝感溫元件時(shí)必須傾斜安裝。④如被測(cè)介質(zhì)中有塵粒、粉末物或測(cè)量腐蝕性介質(zhì)時(shí)，為保護(hù)感溫元件不受磨損，應(yīng)加裝保護(hù)屏或外保護(hù)管。⑤在安裝瓷和氧化鋁類保護(hù)管時(shí)，防止損壞保護(hù)管。在插入或取出熱電偶時(shí)，應(yīng)避免急冷急熱，以免保護(hù)管破裂。⑥在薄壁管道上安裝感溫元件時(shí)，需在連接頭處加裝加強(qiáng)板。⑦當(dāng)介質(zhì)工作壓力超過10MPa時(shí)，必須加裝保護(hù)外套。2．應(yīng)確保安全、可靠

5.6非接觸式溫度計(jì)(1)溫度計(jì)和被測(cè)對(duì)象不接觸，不會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，故可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并可進(jìn)行遙測(cè)。(2)由于溫度計(jì)不必達(dá)到與被測(cè)對(duì)象同樣的溫度，故儀表的測(cè)溫上限不受溫度計(jì)材料熔點(diǎn)的限制。(3)在檢測(cè)過程中溫度計(jì)不必和被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡，故檢測(cè)速度快，響應(yīng)時(shí)間短，適于快速測(cè)溫。5.6.1測(cè)溫原理

自然界中任何物體只要其溫度在絕對(duì)零度以上，就會(huì)不斷地向周圍空間輻射能量。溫度越高，輻射能量就越多。絕對(duì)溫度為T的物體對(duì)外輻射的能量E——為物體在溫度T下的輻射率(也稱“黑度系數(shù)”)；λ——為輻射波長(zhǎng)；C1——為第一輻射常數(shù)，C1＝3.74132×10-16W·m2；C2——為第二輻射常數(shù)，C2=1.438786×10-2m·k。在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)全部輻射能量的總和δ=5．67032×10-8W／(m2．K4)為黑體的斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)。物體在特定波長(zhǎng)λc上的輻射能是溫度T的單一函數(shù)兩個(gè)特定波長(zhǎng)上的輻射能之比Φ(T)也是溫度的單值函數(shù)。（滿足））輻射測(cè)溫主要方法。（1）全輻射法測(cè)出物體在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量F(T)，并以其輻射率校正后確定被測(cè)物體的溫度。（2）亮度法測(cè)出物體在某一波長(zhǎng)()上的輻射能量f(T)，

經(jīng)輻射率修正后確定被測(cè)物體的溫度。（3）比色法測(cè)出物體在兩個(gè)特定波長(zhǎng)段上的輻射能比值Φ(T)，確定被測(cè)物體的溫度。

輻射溫度計(jì)組成：由光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件、轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理等組成。光學(xué)系統(tǒng):是通過光學(xué)透鏡、反射鏡以及其它光學(xué)元件獲得物體輻射能中的特性光譜，并聚焦到檢測(cè)元件上。檢測(cè)元件將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大、輻射率的修正和標(biāo)度變換后輸出與被測(cè)溫度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。部分輻射溫度計(jì)需要參考光源。工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏鳎?dāng)燈絲的亮度與被測(cè)物體的亮度一致時(shí)，燈泡的亮度就代表了被測(cè)物體的亮度溫度。恒定亮度式 利用減光楔來改變被測(cè)物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測(cè)物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)1－物鏡；2－灰色吸收玻璃；3－燈泡；4－目鏡；5－紅色濾波片；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開關(guān)；R1－刻線調(diào)整電阻光學(xué)系統(tǒng)和電測(cè)系統(tǒng)隱絲式光學(xué)高溫計(jì)由光學(xué)系統(tǒng)和電測(cè)系統(tǒng)兩部分組成光學(xué)系統(tǒng)：目鏡、物鏡、燈泡、紅色濾波片和灰色吸收玻璃 紅色濾波片，造成一個(gè)較窄的有效波長(zhǎng) 吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程（1400℃） 目鏡和物鏡是一套光學(xué)系統(tǒng)電測(cè)系統(tǒng)包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測(cè)量電路原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。1）測(cè)量時(shí)，如燈絲亮度比輻射熱源（被測(cè)物體）亮度低，則燈絲就在這個(gè)背景下呈現(xiàn)出暗的弧線2）如如燈絲亮度比輻射熱源（被測(cè)物體）亮度高，則燈絲就在較暗的背景下呈現(xiàn)出亮的弧線3）如兩者亮度一樣，則燈絲就隱滅在發(fā)光背景里4）由毫安計(jì)的讀數(shù)就是被測(cè)物體的亮度溫度這種光學(xué)高溫計(jì)叫“隱絲式光學(xué)高溫計(jì)”。2工作原理(1)問題：由于亮度超過14000C時(shí)，鎢絲易發(fā)生升華，（電阻值改變，且在燈泡玻璃上形成薄膜，改變了燈絲的溫度－亮度特性），造成測(cè)量誤差。

(2)灰色吸收玻璃的作用：加入吸收玻璃，在14000C以上時(shí)，可減弱熱源進(jìn)入儀表的亮度后，再和燈絲比較，加大光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)量范圍。3一些元器件的作用1)灰色吸收玻璃2)紅色濾光片的作用：造成窄的光譜段，使其在波長(zhǎng)范圍0.6-0.7μm內(nèi)進(jìn)行亮度比較。好處:在于當(dāng)被測(cè)溫度變化時(shí)，對(duì)于一般的工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)，可認(rèn)為波長(zhǎng)λ變化被忽略，一般λ

＝0.66μm4光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)溫下限由于人眼是感受件，只能看到可見光，這限制了被測(cè)物體的溫度不能低于700℃（1）減少ελ的影響：光譜發(fā)射率ελ不是常數(shù)，給測(cè)量帶來誤差。盡量創(chuàng)造全輻射體的輻射條件。

例如測(cè)量爐膛溫度，可插入一根細(xì)長(zhǎng)而有底的陶瓷管l/d>10，在充分受熱后，從管口看進(jìn)去管子的底部就可近似認(rèn)為是全輻射體。5、使用光學(xué)高溫計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)（2）由于中間介質(zhì)的影響：光學(xué)高溫計(jì)不要距離被測(cè)物體太遠(yuǎn)，一般應(yīng)在1—2m之內(nèi)比較合適。光學(xué)高溫計(jì)和被測(cè)物體之間的灰塵、煙霧、二氧化碳等對(duì)輻射都有吸收作用，造成誤差。（3）光學(xué)高溫計(jì)不宜測(cè)反射光很強(qiáng)的物體，容易造成大誤差（4）光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)