《傳感器原理及應(yīng)用》課件1第7章

7.1熱電偶的基本原理、類(lèi)型及結(jié)構(gòu)7.2熱電勢(shì)的測(cè)量及熱電偶的標(biāo)定7.3熱電偶的傳熱誤差和動(dòng)態(tài)誤差7.4電阻式溫度傳感器7.5集成溫度傳感器思考題第7章熱電式傳感器

7.1熱電偶的基本原理、類(lèi)型及結(jié)構(gòu)

熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的接觸式溫度傳感器，它將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，并以直流電壓信號(hào)的形式輸出，記錄、顯示和傳輸都比較容易，具有測(cè)溫范圍大、性能穩(wěn)定、信號(hào)可遠(yuǎn)距離傳輸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、承受熱、機(jī)械沖擊能力強(qiáng)以及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。常用于高溫區(qū)域、振動(dòng)沖擊大等惡劣環(huán)境以及微小結(jié)構(gòu)測(cè)溫場(chǎng)合，但是，由于其信號(hào)輸出靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)和前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。7.1.1熱電偶的基本原理

1.熱電效應(yīng)

兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連成閉合回路，如圖

7-1所示。若兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T(mén)和T0的熱源中，且T與T0不相等，則在回路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。A、Ｂ的組合稱(chēng)為熱電偶，Ａ、Ｂ稱(chēng)為熱電極，T端接點(diǎn)稱(chēng)為測(cè)量端或熱端，T0端接點(diǎn)稱(chēng)為參考端或冷端。T與T0的溫差愈大，熱電偶的輸出熱電勢(shì)就越大。若保持T0不變，熱電勢(shì)將隨著溫度T的變化而變化，測(cè)得熱

電勢(shì)的值，即可知溫度T的大小。圖7-1熱電偶示意圖熱電效應(yīng)的本質(zhì)是熱電偶吸收了外部的熱能，在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為電能。由理論分析可知，熱電偶的熱電勢(shì)由兩種導(dǎo)體接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)和同一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。

1)接觸電動(dòng)勢(shì)

當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，由于自由電子密度不同，自由電子密度大的導(dǎo)體中的電子就會(huì)向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，從而在接觸處使失去電子的帶正電，得到電子的帶負(fù)電，因此在A、

B兩導(dǎo)體接觸處就形成了穩(wěn)定的接觸電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。具體在T與T0端的接觸電動(dòng)勢(shì)EAB(T)、EAB(T0)分別為

(7-1)

(7-2)

式中:NA、NB分別為導(dǎo)體A、B的自由電子密度；k為波爾茲曼常數(shù)；e為單位電荷電量。

2)溫差電動(dòng)勢(shì)

同一電極的兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子由于受熱而具有更大的動(dòng)能，向低溫端擴(kuò)散，導(dǎo)致高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。具體在A與B兩熱電極形成的溫差電動(dòng)勢(shì)EA(T，T0)、EB(T，T0)分別為

(7-3)

(7-4)

式中,σA、σB分別為導(dǎo)體A、B的湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，它的大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。由電路知識(shí)可知，熱電偶的總熱電勢(shì)為

(7-5)由式(7-5)可知：

(1)若熱電偶的兩個(gè)熱電極材料相同，即使兩接點(diǎn)的溫度不同，回路中的熱電勢(shì)也仍然為零。因此，熱電偶必須由兩種不同的材料構(gòu)成。

(2)若熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，即使兩個(gè)熱電極A、B的材料不同，回路中的熱電勢(shì)也仍然為零。因此，要產(chǎn)生熱電勢(shì)，熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)必須有溫度差。

(3)熱電偶的熱電勢(shì)大小僅與熱電極材料的性質(zhì)、兩個(gè)接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與其尺寸及形狀無(wú)關(guān)。由于溫差電動(dòng)勢(shì)很小，在工程計(jì)算中可省略，因此熱電偶的熱電勢(shì)可用下式計(jì)算

(7-6)

實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度關(guān)系是通過(guò)熱電偶分度表來(lái)確定的。所謂分度表,就是指在參考端溫度為0℃時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與測(cè)量端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系表。

2.熱電偶的基本定律

1)均質(zhì)導(dǎo)體定律

若熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電勢(shì)均為零；反之，如果有熱電勢(shì)產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，既可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電

極材料的成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。

2)中間導(dǎo)體定律

在由A、B組成的熱電偶回路中引入第三種導(dǎo)體C時(shí)，只要保持第三種導(dǎo)體C兩端的溫度相同，引入導(dǎo)體C后對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響，即回路中總的熱電勢(shì)與引入第三導(dǎo)體無(wú)關(guān)，這就是中間導(dǎo)體定律。根據(jù)這一定律，如果需要在回路中引入多種導(dǎo)體，只要保證引入的導(dǎo)體兩端溫度相同，均不會(huì)影響熱電偶回路中的熱電勢(shì)。據(jù)此，可以在回路中方便地連接各種導(dǎo)線及顯示儀表。

3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律

若兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)也就可知。圖7-2所示為由A、B、C三種材料組成的三個(gè)熱電偶，據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律可得

EAC(T，T0)-EBC(T,T0)=EAB(T,T0)

(7-7)圖7-2三種材料組成的三個(gè)熱電偶據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律可知，在實(shí)際測(cè)溫中，我們只要獲得熱電極與標(biāo)準(zhǔn)電極組合時(shí)的熱電勢(shì)值，再按式(7-7)就可計(jì)算出任意兩種熱電極組合時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，而無(wú)需逐個(gè)去測(cè)定，因此可簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。目前，用作標(biāo)準(zhǔn)電極的材料主要是純鉑絲材，因?yàn)樗娜埸c(diǎn)高、易提純，在高溫與常溫時(shí)的物理、化學(xué)性能都比較穩(wěn)定。

4)中間溫度定律

熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、Tn和接點(diǎn)溫度分別為T(mén)n、T0

時(shí)的相應(yīng)熱電勢(shì)的代數(shù)和，即

EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)

=EAB(T，Tn)-EAB(T0，Tn)

(7-8)根據(jù)這一定律，只要給出參考端0℃時(shí)的熱電勢(shì)和溫度關(guān)系，就可求出參考端為任意溫度T0的熱電勢(shì)，它是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中，利用熱電偶這一定律，可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。另外，中間溫度定律還表明，當(dāng)在原來(lái)熱電偶回路中分別引入與熱電極具有相同熱電特性的材料，即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，只要它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電勢(shì)與兩連接點(diǎn)的溫度無(wú)關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。這為在工業(yè)測(cè)量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

3.熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償

由式(7-6)可知，熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度T有關(guān)，而且也與冷端溫度T0有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度T0恒定時(shí)，通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)的大小才可得到熱端的溫度。熱電偶的分度表是以T0=0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過(guò)程中，冷端溫度往往不為0℃，那么熱端溫度為T(mén)時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(T，0)及EAB(T0，0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(T，T0)之間的關(guān)系可據(jù)中間溫度定律得到如下公式

EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)

(7-9)由式(7-9)可知，熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)是冷端溫度T0的函數(shù)，因此必須對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。當(dāng)冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，一般先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。常用的冷端處理方法主要有以下幾種：

1)補(bǔ)償導(dǎo)線法

工程中采用的補(bǔ)償導(dǎo)線通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成，而且在0~100℃溫度范圍內(nèi)與所配熱電偶具有相同的熱電特性。據(jù)中間溫度定律可知，只要熱電偶的兩個(gè)熱電極分別與兩補(bǔ)償導(dǎo)線的接點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)影響熱電勢(shì)的輸出。使用補(bǔ)償導(dǎo)線既實(shí)現(xiàn)了熱電偶的冷端遷移，同時(shí)也降低了電路成本。

2)冷端溫度修正法

在實(shí)際應(yīng)用中，即使采用補(bǔ)償導(dǎo)線使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，熱電偶的參考端也往往不是0℃，而是環(huán)境溫度，因此，回路熱電勢(shì)應(yīng)按式(7-9)加以修正。具體方法是：首先用室溫計(jì)測(cè)得環(huán)境溫度T0，從分度表中查出EAB(T0，0)；然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)，從而得到EAB(T，0)；最后，根據(jù)EAB(T，0)反查分度表得到被測(cè)溫度T。若環(huán)境溫度T0十分穩(wěn)定，則可采用顯示、控制儀表零位調(diào)整法或計(jì)算修正法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3)補(bǔ)償電橋法

補(bǔ)償電橋法主要利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號(hào)，從而自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測(cè)量過(guò)程中因參考端溫度不為0℃或發(fā)生變化而引起熱電勢(shì)的變化值。目前市場(chǎng)上已有標(biāo)準(zhǔn)的冷端溫度補(bǔ)償器供應(yīng)，而且有多種不同的型號(hào)，分別與不同的熱電偶對(duì)應(yīng)。

另外，在實(shí)驗(yàn)室中，通常將熱電偶冷端直接置于0℃的恒溫器中，使工作與分度狀態(tài)達(dá)到一致，然后根據(jù)測(cè)得的回路熱電勢(shì)，反查分度表即得到被測(cè)溫度T。在計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)中，通常利用熱敏電阻將環(huán)境溫度T0輸入計(jì)算機(jī)，然后按修正公式設(shè)定程序自動(dòng)修正。7.1.2熱電偶的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)

理論上講，任意兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體都可以作為熱電極，從而組成熱電偶，但在實(shí)際應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確可靠地測(cè)量溫度，對(duì)組成熱電偶的材料必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的選擇。

工程上用于熱電偶的材料應(yīng)具備以下幾方面的條件：溫度測(cè)量范圍廣，熱電勢(shì)變化盡量大，熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。實(shí)際上并非所有材料都能滿(mǎn)足上述要求，目前在國(guó)際上被公認(rèn)比較好的熱電材料只有幾種。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)向世界各國(guó)推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，就是指已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中的熱電偶，它具有統(tǒng)一的分度表。

1.熱電偶的類(lèi)型

1)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

我國(guó)從1988年開(kāi)始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。其中，R型(鉑銠13－鉑)熱電偶因其溫度范圍與S型(鉑銠10－鉑)重合，我國(guó)沒(méi)有生產(chǎn)和使用。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)

表7-1。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系如圖7-3所示。目前工業(yè)上常用的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有以下四種：

(1)鎳鉻—銅鎳熱電偶(分度號(hào)E)。它也稱(chēng)為鎳鉻—康銅熱電偶，是一種廉價(jià)金屬熱電偶，正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金(銅55%，鎳45%)，測(cè)溫范圍為-200~+1000℃。在所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之中，它的熱電動(dòng)勢(shì)最大，靈敏度最高，適宜制成熱電偶堆來(lái)測(cè)量微小溫度的變化。另外，E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境，具有穩(wěn)定性好、抗氧化性能高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但不能在高溫下用于含有SO2、H2S等氣體的場(chǎng)合以及還原氣體中。圖7-3標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的熱電偶的熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系

(2)鎳鉻—鎳硅熱電偶(分度號(hào)K)。它是使用量最大的廉價(jià)金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和，正極是鎳鉻合金(88.4%～89.7％鎳，9%～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4%～0.7％鈷)，負(fù)極為鎳硅(95.7%～97％鎳，2%～3％硅，0.4%～0.7％鈷)，測(cè)溫范圍為-200~+1300℃。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍很寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性、熱電動(dòng)勢(shì)大、高溫下抗氧化能力強(qiáng)、價(jià)格低，但不能在高溫下用于含有SO2、H2S等氣體的場(chǎng)合以及還原性氣體中，也不能用于真空中。另外，其熱電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性和精度較B型或S型熱電偶差。

(3)鉑銠30—鉑銠6熱電偶(分度號(hào)B)。它是貴金屬熱電偶，熱電極線徑規(guī)定為0.5mm，正極是鉑銠絲(鉑70%、銠30%)，負(fù)極也是鉑銠絲(鉑94%、銠6%)，俗稱(chēng)雙鉑銠。其測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1600℃，短期可達(dá)1800℃。這種熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、材料性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、測(cè)溫上限高、使用壽命長(zhǎng)等，適用于氧化性和惰性氣體中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣體或含有金屬或非金屬蒸氣中，參考端不需進(jìn)行冷端補(bǔ)償，因?yàn)樵?～50℃范圍內(nèi)熱電勢(shì)小于3μV。其缺點(diǎn)是熱電率較小、靈敏度低、高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降、在還原性氣體中易被侵蝕、成本高。

(4)鉑銠10—鉑熱電偶(分度號(hào)S)。它是貴金屬熱電偶，熱電極線徑規(guī)定為0.5mm，正極是鉑銠絲(鉑90%，銠10%)，負(fù)極是純鉑絲，測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1300℃，短期可達(dá)1600℃，一般用來(lái)測(cè)量1000℃以上的高溫。其優(yōu)點(diǎn)是材料性能穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度較高，可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶，抗氧化性強(qiáng)；缺點(diǎn)是熱電率較小，靈敏度低，在高溫還原性氣體中易被侵蝕，需要用保護(hù)套管。另外，國(guó)際溫標(biāo)中規(guī)定它為630.74~1064.43℃溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

2)非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的技術(shù)數(shù)據(jù)及特征見(jiàn)表7-2。目前常用的非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶主要有銥和銥合金熱電偶、鎢錸熱電偶、金鐵－鎳鉻熱電偶以及鈀－鉑銥15熱電偶。

2.常用熱電偶的結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通熱電偶、鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶、表面熱電偶以及消耗式熱電偶等。

1)普通熱電偶

普通熱電偶在工業(yè)上使用最多，主要用于測(cè)量氣體、蒸氣、流體等介質(zhì)的溫度。它主要由接線盒、保護(hù)管、絕緣套管、接線端子和熱電極組成，并配以各種安裝固定裝置，安裝時(shí)一般采用螺紋或法蘭方式。由于使用的條件基本相似，所以這類(lèi)熱電偶已做成標(biāo)準(zhǔn)形式。常見(jiàn)的普通熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。圖7-4普通熱電偶的結(jié)構(gòu)

2)鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶又稱(chēng)套管熱電偶或纜式熱電偶，它是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，使用中還可以按需要任意彎曲，一般外徑小于8mm。圖7-5(a)所示為鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)形式，其測(cè)量端結(jié)構(gòu)形式主要有露端式、接殼式和絕緣式三種，如圖7-5(b)所示。其中，露端式的測(cè)量端露在外面，測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間最快，僅在干燥的非腐蝕介質(zhì)中使用，不能在潮濕空氣或液體中使用；接殼式的熱電極與金屬套管焊在一起，反應(yīng)時(shí)間介于露端式和絕緣式之間，適用于外界信號(hào)干擾較小的場(chǎng)合；絕緣式的測(cè)量端封閉在內(nèi)部，熱電偶與套管之間相互絕緣，不易受外界信號(hào)干擾，是最常用的一種結(jié)構(gòu)形式。圖7-5鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)形式(a)鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)形式；(b)工作端結(jié)構(gòu)形式鎧裝熱電偶具有測(cè)溫端熱容量小、熱響應(yīng)時(shí)間快、機(jī)械強(qiáng)度高、能彎曲、耐高壓、耐震動(dòng)和堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中0～800℃范圍內(nèi)的液體、氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度，并且可安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測(cè)量場(chǎng)合上，因此被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。

3)薄膜熱電偶

薄膜熱電偶是采用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等辦法將兩種薄膜熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上面而制成的一種快速感溫元件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-6所示。由于其鍍膜極薄，可做到0.01～0.1mm，尺寸也做得很小，約為60mm×6mm×0.2mm，因此，熱接點(diǎn)的熱容量極小，測(cè)量時(shí)反應(yīng)非常迅速，熱響應(yīng)時(shí)間可達(dá)微秒級(jí)，特別適用于測(cè)量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度，其測(cè)溫范圍在300℃以下。安裝時(shí)，用黏結(jié)劑將它黏結(jié)在被測(cè)物體壁面上即可。圖7-6薄膜熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖除上面介紹的幾種類(lèi)型的熱電偶以外，還有用于測(cè)量各種物體，如金屬塊、爐壁和渦輪葉片等表面溫度的表面熱電偶，測(cè)量氣流溫度的屏罩式熱電偶、抽氣式熱電偶和采樣式熱電偶，測(cè)量液態(tài)金屬溫度的快速消耗式熱電偶，同時(shí)測(cè)量幾點(diǎn)或幾十個(gè)點(diǎn)的溫度的多點(diǎn)式熱電偶等各類(lèi)特種熱電偶。

7.2熱電勢(shì)的測(cè)量及熱電偶的標(biāo)定

7.2.1熱電勢(shì)的測(cè)量

熱電偶把被測(cè)溫度變換為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，因此可通過(guò)各種電測(cè)儀表來(lái)測(cè)量，從而顯示出被測(cè)溫度。測(cè)溫時(shí)，可以直接與顯示儀表，如直流毫伏計(jì)、自平衡式電位差計(jì)或數(shù)字表等配套使用，也可以與溫度變送器配套，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。由于熱電偶的熱電特性一般都是非線性的，因此要使顯示數(shù)或輸出脈沖數(shù)與被測(cè)溫度直接相對(duì)應(yīng)，必須采取線性化措施。在含微處理機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)中，線性化工作可直接由計(jì)算機(jī)完成，即所謂“軟件校正法”，也可采用非線性校正裝置，即所謂“硬件校正法”。下面就介紹幾種典型的熱電偶測(cè)溫線路。

1.單點(diǎn)測(cè)溫線路

圖7-7所示為一個(gè)熱電偶和一個(gè)測(cè)溫儀表配套使用的連接電路，用于測(cè)量某一點(diǎn)的溫度。由此電路可知，流過(guò)測(cè)溫毫伏表的電流為

(7-10)

式中:RM——測(cè)溫毫伏表內(nèi)阻；

r——熱電偶及導(dǎo)線內(nèi)阻；

RL——負(fù)載電阻。圖7-7單點(diǎn)測(cè)溫線路

2.兩點(diǎn)溫度差測(cè)量線路

將兩個(gè)熱電偶反向串聯(lián)并和一個(gè)儀表配合可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫度差。圖7-8所示為測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫差線路，電路中C、D

為補(bǔ)償導(dǎo)線，其熱電性質(zhì)分別與A、B

材料相同。由此電路可知，回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)為

EAB(T1，T2)=EAB(T1，0)-EAB(T2，0)

(7-11)圖7-8測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫差線路

3.熱電偶串聯(lián)與并聯(lián)線路

特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一種分度號(hào)的熱電偶，并且參考端溫度應(yīng)相同。將幾個(gè)同分度號(hào)熱電偶的正極和負(fù)極分別連接在一起就組成熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路，若所有單個(gè)熱電偶線路的電阻均相等，則測(cè)量?jī)x表中測(cè)得的熱電勢(shì)等于所有熱電偶熱電勢(shì)的平均值，因此，利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。圖7-9(a)所示為三只熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路。

將幾個(gè)同分度號(hào)的熱電偶依次按正負(fù)極相連接就組成熱電偶正向串聯(lián)測(cè)量線路，由于其總熱電勢(shì)等于幾個(gè)熱電偶熱電勢(shì)之和，因此通過(guò)熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出，從而提高測(cè)量?jī)x器的靈敏度。圖7-9(b)所示為三只熱電偶正向串聯(lián)線路。圖7-9熱電偶串聯(lián)與并聯(lián)線路(a)并聯(lián)測(cè)量線路；(b)正向串聯(lián)測(cè)量線路7.2.2熱電偶的標(biāo)定

熱電偶的標(biāo)定也就是熱電偶的校準(zhǔn)。熱電偶使用一段時(shí)間后，由于工作端被氧化腐蝕，并在高溫下發(fā)生再結(jié)晶，以及受拉伸、彎曲等機(jī)械應(yīng)力的影響都可能使其熱電特性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生誤差，因此熱電偶要定期校準(zhǔn)。標(biāo)定的目的是核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢(shì)與溫度關(guān)系是否符合標(biāo)準(zhǔn)，或確定非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的標(biāo)定曲線，當(dāng)然也可以通過(guò)標(biāo)定來(lái)減小測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。熱電偶的標(biāo)定方法主要有定點(diǎn)法和比較法兩種。

1.定點(diǎn)法

定點(diǎn)法是將熱電偶直接插入固定點(diǎn)裝置中，由于各固定點(diǎn)的溫度在國(guó)際溫標(biāo)上已作了規(guī)定，所以被檢驗(yàn)的熱電偶可直接按國(guó)際溫標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。定點(diǎn)法以純?cè)氐姆悬c(diǎn)或凝固點(diǎn)作為溫度標(biāo)準(zhǔn)，如基準(zhǔn)鉑銠10—鉑熱電偶在630.755～1064.43℃的溫度間隔內(nèi)，以金的凝固點(diǎn)1064.43℃、銀的凝固點(diǎn)961.93℃、銻的凝固點(diǎn)630.775℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行標(biāo)定。定點(diǎn)法可分為坩堝法和熔絲法兩種，其示意圖如圖7-10所示。圖7-10(a)所示為坩堝法，主要方法是：首先將定點(diǎn)用的高純度金屬置于由高純石墨或高純氧鋁制成的坩堝中，再用加熱絲加熱使金屬熔化；其次將被檢驗(yàn)的熱電偶插入熔化的金屬

中，然后冷卻定點(diǎn)爐，最后利用金屬凝固期間溫度不變的特性來(lái)測(cè)量在該凝固點(diǎn)溫度下的熱電偶的熱電勢(shì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)定準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是對(duì)高純金屬需用量大，成本高，一般只用于高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的標(biāo)定。圖7-10(b)所示為熔絲法，主要方法是：首先將定點(diǎn)用的高純金屬絲或箔帶夾持或者纏繞在熱電偶的兩根熱電極上；其次將被檢熱電偶置于熔絲爐中，加熱熔絲爐，使金屬絲或箔帶熔化；最后利用當(dāng)金屬絲或箔帶熔化時(shí)溫度不變的特性來(lái)測(cè)量在該熔化點(diǎn)溫度下的熱電偶的熱電勢(shì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，高純金屬用量少，但是標(biāo)定準(zhǔn)確度比坩堝法低。

總體而言，定點(diǎn)法的準(zhǔn)確度高，一般用于高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)定中，但工作效率比較低，在整個(gè)熱電偶的溫度測(cè)量范圍內(nèi)，它只能檢驗(yàn)幾個(gè)固定溫度點(diǎn)，而固定溫度點(diǎn)間的熱電勢(shì)值只能用內(nèi)插公式進(jìn)行計(jì)算，因此要求定點(diǎn)間的內(nèi)插公式必須是已知的。圖7-10定點(diǎn)法示意圖(a)坩堝法；(b)熔絲法

2.比較法

比較法就是將被標(biāo)定熱電偶與比其高一等的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶同置于檢驗(yàn)用的恒溫裝置中，在同一溫度下直接進(jìn)行比較的方法。比較法可分為雙極法、單極法和微差法三種，圖7-11所示為比較法示意圖。其主要方法是：首先將被檢熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶同時(shí)插入恒溫裝置的均勻溫場(chǎng)中，然后用測(cè)量?jī)x器分別測(cè)出兩個(gè)熱電偶的熱電勢(shì)，最后通過(guò)比較實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢熱電偶的標(biāo)定。

標(biāo)定的準(zhǔn)確性主要取決于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的等級(jí)和恒溫裝置中溫場(chǎng)的均勻性及溫度的穩(wěn)定性。這種方法工作效率高，標(biāo)定的溫度點(diǎn)可按需要進(jìn)行選取，因此廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中。圖7-11比較法示意圖

7.3熱電偶的傳熱誤差和動(dòng)態(tài)誤差

7.3.1傳熱誤差

熱電偶測(cè)溫與其他感溫元件一樣，是通過(guò)熱電偶與被測(cè)介質(zhì)之間的熱量交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱電偶吸收被測(cè)介質(zhì)傳送來(lái)的熱量，一方面用于自身加熱，提高自身的溫度，另一方面又向

周?chē)?。?dāng)熱量交換達(dá)到平衡時(shí)，熱電偶的工作端達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的溫度。由于熱量的散失，這個(gè)溫度必然低于被測(cè)介質(zhì)的溫度，這種情況造成的誤差稱(chēng)為傳熱誤差。傳熱誤差主要是由導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種基本熱交換造成的。導(dǎo)熱熱交換是指兩個(gè)冷熱程度不同的物體相互接觸時(shí)，通過(guò)物體本身進(jìn)行熱量交換的形式。例如，熱電偶安裝于管壁上，由于兩者溫度不同，若熱接點(diǎn)的溫度高于管壁的溫度，則接點(diǎn)就會(huì)沿著電極、絕熱層、保護(hù)套管向管壁傳送熱量，傳送熱量的大小與材料導(dǎo)熱系數(shù)、電極截面積、熱電偶插入深度以及接點(diǎn)和管壁面溫度有關(guān)。

對(duì)流熱交換是指流體和固定表面直接接觸時(shí)相互間進(jìn)行熱量傳遞的形式，它是測(cè)量低速流體溫度的主要熱交換形式。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)流換熱與氣流速度、氣流參數(shù)、熱接點(diǎn)的幾何形

狀、尺寸大小以及熱電偶的安裝等許多因素有關(guān)。當(dāng)垂直于氣流方向安裝時(shí)，對(duì)流換熱的大小正比于氣流速度的平方根，而反比于電極直徑的平方根。輻射熱交換是指兩個(gè)相互不接觸的物體，通過(guò)熱射線進(jìn)行熱量傳遞的形式。例如，利用熱電偶測(cè)量氣體溫度時(shí)，若熱接點(diǎn)與管壁的溫度不同，接點(diǎn)與管壁間就存在輻射熱交換。由史蒂芬－波爾茲曼全輻射定律可知，輻射換熱的大小與熱接點(diǎn)面積、熱電極材料及表面亮度、管壁面和接點(diǎn)溫度有關(guān)。7.3.2動(dòng)態(tài)誤差

采用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，由于熱接點(diǎn)具有一定的熱容量，熱接點(diǎn)從被測(cè)介質(zhì)中吸收熱量并使溫度提升到某一穩(wěn)定值需要一定的時(shí)間。測(cè)量快速變化的溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的滯后，

也就是說(shuō)，熱接點(diǎn)的溫度變化總是滯后于被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。這種由于熱接點(diǎn)的熱慣性引起的溫度偏差，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差的大小與熱電偶的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。減小熱電偶直徑可以改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)、減小動(dòng)態(tài)誤差，但會(huì)帶來(lái)制造困難、機(jī)械強(qiáng)度低、使用壽命短、安裝工藝復(fù)雜等問(wèn)題。目前較為實(shí)用的辦法是在熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)中引入與熱電偶傳遞函數(shù)倒數(shù)近似的RC或RL網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差實(shí)時(shí)修正。

顯然，校正網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)熱電偶時(shí)間常數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。由于時(shí)間常數(shù)是熱電偶機(jī)械結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的函數(shù)，其值會(huì)隨著動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的變化而改變，然而校正是針對(duì)某一種動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的，即針對(duì)某一固定的熱電偶時(shí)間常數(shù)的，因此要調(diào)節(jié)校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)以適合相應(yīng)的狀態(tài)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)修正動(dòng)態(tài)誤差的目的。實(shí)際上，采用熱電偶測(cè)溫時(shí)，除以上介紹的兩種誤差以外，常見(jiàn)的誤差還有分度誤差(即具體使用的熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)分度表之間的誤差)、儀表誤差(即與熱電偶配合使用的儀器儀表

引入的測(cè)量誤差)、冷端處理誤差(即冷端溫度波動(dòng)及補(bǔ)償導(dǎo)線引入的誤差)以及由于絕緣材料的絕緣性能不好造成的漏電誤差等。

7.4電阻式溫度傳感器

電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度的。它被廣泛用于測(cè)量-200~600℃范圍內(nèi)的溫度，是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。與熱電

偶相比，電阻式溫度傳感器具有測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、輸出信號(hào)大、靈敏度高、輸出線性好等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適宜在體積狹小和溫度瞬變的場(chǎng)合中進(jìn)行測(cè)量。電阻式溫度傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類(lèi)，一般把金屬熱電阻稱(chēng)為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱(chēng)為熱敏電阻。用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率，熱容量小，在測(cè)量范圍內(nèi)有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，電阻與溫度的關(guān)系接近于線性，有良好的可加工性，且價(jià)格便宜等。比較理想的材料有鉑、銅、鎳、銦和錳等。

目前在工業(yè)生產(chǎn)中最常用的是鉑、銅兩種熱電阻。7.4.1熱電阻

1.鉑電阻

將直徑為0.02~0.07mm的鉑絲繞成中空線圈，然后裝入玻璃或陶瓷管等保護(hù)管內(nèi)，就構(gòu)成了鉑電阻。為了實(shí)現(xiàn)鉑電阻的自動(dòng)化生產(chǎn)，也有采用絲網(wǎng)印刷方法來(lái)生產(chǎn)鉑膜電阻，或采用

真空鍍膜方法生產(chǎn)鉑膜的。鉑金屬由于易于提純，在氧化介質(zhì)及高溫下的物理、化學(xué)性能極其穩(wěn)定，并有良好的工藝性，因此，鉑電阻作為感溫元件具有示值穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，其使

用溫度范圍為-200~+850℃。除廣泛用于高精度的工業(yè)測(cè)溫外，鉑電阻還用作溫度標(biāo)準(zhǔn)，按國(guó)際溫標(biāo)ITS-90規(guī)定，在

-259.3467~961.78℃以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器。

鉑電阻阻值Rt與溫度t之間的關(guān)系可以近似用下式表示：

在0～850℃溫度范圍內(nèi)為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(7-12)在-200～0℃溫度范圍內(nèi)為

Rt=R0［1+At+Bt2+C(t-100)t3］

(7-13)

式中:Rt

，R0——溫度分別為t℃、0℃時(shí)鉑電阻的電阻值；

t——被測(cè)溫度，單位為℃；

A、B、C——由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鉑電阻溫度系數(shù)，其中

A＝3.9684×10-3／℃

B＝-5.847×10-7／℃2

C＝-4.22×10-12/℃4鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)，通常用百度電阻比W(100)來(lái)表示鉑的純度，即

(7-14)

式中,R100、R0分別為溫度100℃和0℃時(shí)鉑電阻的電阻值。由式(7-12)和式(7-13)可知，鉑電阻在溫度為t℃時(shí)的電阻值Rt與R0有關(guān)。目前我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，其百度電阻比W(100)≥1.391，R0分為50Ω和100Ω兩種，分度號(hào)分別為Pt50和Pt100，其中以Pt100最為常用。在工業(yè)上將相應(yīng)于

R0＝50Ω和100Ω的Rt—t關(guān)系制成分度表，稱(chēng)為鉑熱電阻分度表。在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得鉑電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。

2.銅電阻

由于鉑是貴重金屬，因此在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅電阻進(jìn)行測(cè)溫，其測(cè)溫范圍為

-50~150℃。銅電阻具有電阻溫度系數(shù)大、價(jià)格低廉、線性好等優(yōu)點(diǎn)，但它的電阻率低、體積大、熱慣性大，在100℃以上時(shí)易氧化，不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度幾乎呈線性關(guān)系，其阻值可近似地表示為

Rt=R0(1+at)

(7-15)

式中:Rt、R0——溫度分別為t℃和0℃時(shí)銅電阻的電阻值；

t——被測(cè)溫度，單位為℃；

a——銅電阻溫度系數(shù)，a＝4.25×10-3～4.28×10-3/℃。目前我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)銅電阻，其百度電阻比W(100)≥1.425，R0分為50Ω和100Ω兩種，分度號(hào)分別為Cu50和Cu100，也有相應(yīng)的分度表供使用者查閱。

上述兩種熱電阻對(duì)于低溫和超低溫測(cè)量性能均不理想，目前通常采用銦、錳、碳等熱電阻材料制成的感溫元件進(jìn)行測(cè)量。

3.熱電阻測(cè)量線路

熱電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。由于熱電阻的阻值較小，因此兩線制中引線的電阻對(duì)測(cè)量影響大，主要用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合。三線制可以減小熱電阻與

測(cè)量?jī)x表之間連接引線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，主要用于高精度溫度檢測(cè)。目前，工業(yè)熱電阻測(cè)溫常采用的是三線制或四

線制。

1)三線制電橋測(cè)量線路

三線制電橋測(cè)量線路如圖7-12所示，其中Rt為熱電阻，r1、r2、r3為引線電阻，R1、R2為兩只橋臂電阻，一般取R1=R2，R3為調(diào)整電橋的精密電阻。由于毫伏表M的內(nèi)阻很大，故流過(guò)r3

的電流很小，r3上的壓降可忽略不計(jì)，因此M的讀數(shù)可認(rèn)為等于電橋的不平衡輸出。若使r1=r2，測(cè)量之前，先通過(guò)調(diào)R3

使電橋輸出為零，即電橋平衡，也就是UA=UB，則R3=Rt。這樣，橋臂的引線電阻r1和r2相當(dāng)于分別串入到Rt和R3中。由電路分析可知，正常工作時(shí)，電橋的不平衡輸出電壓UAB基本上與Rt的變化量成正比，引線電阻對(duì)該電壓的影響非常小。圖7-12三線制電橋測(cè)量線路

2)四線制測(cè)量線路

四線制測(cè)量線路如圖7-13所示，其中，Rt為熱電阻，r1、r2、r3、r4為引線電阻。由電路分析可知，電壓表測(cè)得的電壓EM=(IM-IV)Rt+IV(r2+r3)。由于IV≈0，即IV<<IM，所以

EM≈IMRt

(7-16)

由式(7-16)可知，在四線制測(cè)量線路中，引線電阻r1~r4

將不引起測(cè)量誤差，即電壓表的值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。圖7-13四線制測(cè)量線路7.4.2熱敏電阻

熱敏電阻是由一些過(guò)渡金屬氧化物，如鈷、錳、鎳、鐵等的氧化物，根據(jù)產(chǎn)品性能的不同，采用不同比例配方高溫?zé)Y(jié)而成的。熱敏電阻由熱敏探頭、引線和殼體組成。根據(jù)不同的使用需求，制成各種不同的結(jié)構(gòu)形式，常用的有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。它的測(cè)溫范圍一般在-100～300℃之間，除高溫?zé)崦綦娮柰?，不能用?50℃以上的高溫測(cè)量。其主要優(yōu)點(diǎn)為：①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量“點(diǎn)”溫度；③電阻率高，熱慣性小，動(dòng)態(tài)特性好，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；④功耗小，不需要參考端補(bǔ)償，適宜遠(yuǎn)距離的測(cè)量與控制。其缺點(diǎn)是阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。熱敏電阻應(yīng)用范圍很廣，可在航天航空、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及家用電器等方面用作測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償、流速測(cè)量、液面指示等。

1.熱敏電阻的溫度特性

熱敏電阻是根據(jù)其組成材料的不同來(lái)調(diào)整它的常溫電阻及溫度特性的。按其溫度特性的不同可分為三類(lèi)，分別是負(fù)溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻，即當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值減小，同時(shí)靈敏度也下降；正溫度系數(shù)PTC型熱敏電阻，即當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值增大，同時(shí)靈敏度也變大；臨界溫度系數(shù)CTR型熱敏電阻。圖7-14所示為三種類(lèi)型熱敏電阻的典型溫度特性，其中橫軸為溫度，縱軸為電阻率。圖7-14熱敏電阻的典型溫度特性從圖中可以看出，CTR型熱敏電阻有一跳變溫度，因此，它一般作為溫度開(kāi)關(guān)在自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中使用。在實(shí)際應(yīng)用中，主要采用的是NTC和PTC型熱敏電阻。其中，NTC型熱敏電阻主要用于點(diǎn)溫、表面溫度、溫差等的測(cè)量以及自動(dòng)控制電子線路中的熱補(bǔ)償；而PTC型熱敏電阻主要用于各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制、彩電消磁、溫控限流等場(chǎng)合。就目前而言，使用最多的是NTC型熱敏電阻，下面就以NTC型熱敏電阻為例來(lái)分析熱敏電阻的溫度特性和伏安特性。

NTC型熱敏電阻在工作溫度范圍內(nèi)，其電阻—溫度特性曲線可以用以下公式描述

(7-17)

式中:T、T0——熱力學(xué)溫度，T0通常取室溫(25℃)或273.15K(0℃)；

RT、

——溫度為T(mén)、T0時(shí)熱敏電阻的阻值；

B——熱敏電阻材料常數(shù)，一般取2000～6000K。據(jù)式(7-17)可求得NTC型熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)α為

(7-18)

若B＝4000K，T＝298.15K(25℃)，則α＝-4.5%/℃。B與α是表征熱敏電阻材料性能的兩個(gè)重要參數(shù)。由圖7-14可知，熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系呈非線性。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的最常用方法是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)代替單個(gè)熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定程度的線性關(guān)系。另外，由于熱敏電阻的溫度系數(shù)α是一般金屬熱電阻的10~100倍，因此可不計(jì)引線電阻的影響。

2.熱敏電阻的伏安特性

伏安特性是指在穩(wěn)態(tài)情況下，熱敏電阻上的端電壓U與通過(guò)熱敏電阻的電流I之間的關(guān)系，它是熱敏電阻的重要特性之一。圖7-15所示為NTC型熱敏電阻的典型伏安特性。由圖可知，當(dāng)NTC型熱敏電阻在小電流范圍內(nèi)時(shí)，其電阻值只取決于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律。當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，流過(guò)熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，根據(jù)NTC型熱敏電阻的負(fù)阻特性，阻值將減小，使端電壓下降，因此要根據(jù)熱敏電阻的允許功耗線來(lái)確定電流。熱敏電阻所能升高的溫度與周?chē)橘|(zhì)溫度及散熱條件有關(guān)，當(dāng)電流和周?chē)橘|(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件，熱敏電阻就是根據(jù)此特性來(lái)測(cè)量流體速度和介質(zhì)密度的。圖7-15

NTC熱敏電阻的伏安特性

3.熱敏電阻的主要參數(shù)

(1)標(biāo)稱(chēng)電阻值RH：在環(huán)境溫度為(25±0.2)℃時(shí)測(cè)得的電阻值，又稱(chēng)冷電阻，其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。

(2)電阻溫度系數(shù)α：熱敏電阻的溫度變化1℃時(shí)電阻值的變化率，通常指溫標(biāo)為20℃時(shí)的溫度系數(shù)，單位為(%)/℃。

(3)耗散系數(shù)H:熱敏電阻的溫度與周?chē)橘|(zhì)的溫度相差1℃時(shí)，熱敏電阻所耗散的功率，單位為mW/℃，又稱(chēng)散熱系數(shù)。

(4)熱容量C:熱敏電阻的溫度變化1℃所需吸收或釋放的熱量，單位為J／℃。

(5)能量靈敏度G：使熱敏電阻的阻值變化1％所需耗散的功率，G=(H/α)×100，單位為W。

(6)時(shí)間常數(shù)τ：溫度為T(mén)0的熱敏電阻突然置于溫度為T(mén)

的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量達(dá)到ΔT=0.632(T-T0)時(shí)所需的時(shí)間。

(7)額定功率PE：在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)使用所允許的耗散功率。在實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻所消耗的功率不得超過(guò)額定功率。

4.常用熱敏電阻

表7-3所示為目前市場(chǎng)上常用熱敏電阻及其主要性能。

7.5集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是利用集成電路工藝將感溫元件、放大電路和溫度補(bǔ)償電路等集成在一塊極小芯片上的溫度傳感器。它實(shí)質(zhì)上是一種PN結(jié)型溫度傳感器，主要是利用晶體管的b-e

結(jié)壓降的不飽和值Ube是溫度T的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量的。與傳統(tǒng)的電阻式溫度傳感器、熱電偶相比，集成溫度傳感器具有線性度好、靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、使用方便、輸出信號(hào)大且規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。集成溫度傳感器的測(cè)溫范圍一般為-50～＋150℃，主要用于環(huán)境空間溫度的檢測(cè)、控制以及家用電器中的溫度檢測(cè)、控制和溫度補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合。按其輸出信號(hào)的形式分，可分為電壓

型、電流型和數(shù)字型三種，通常又把前兩種稱(chēng)為模擬型，后一種稱(chēng)為智能型。電壓型的靈敏度一般為10mV/℃，電流型的靈敏度為1μA/K。另外，利用其絕對(duì)零度時(shí)輸出電量為零的特性，還可以很容易地測(cè)量絕對(duì)溫度值。7.5.1電壓型集成溫度傳感器

電壓型集成溫度傳感器有三端電壓輸出型和四端電壓輸出型兩類(lèi)。其中，三端電壓輸出型集成溫度傳感器是一種精密的、易于標(biāo)定的集成溫度傳感器，主要有LM135、LM235、LM335等系列。由于篇幅所限，這里就不作詳細(xì)介紹了，感興趣的讀者請(qǐng)自行參閱相關(guān)書(shū)籍。下面就以四端電壓輸出型的典型代表μPC616為例來(lái)說(shuō)明。

1.μPC616簡(jiǎn)介

μPC616是NEC公司生產(chǎn)的μPC系列傳感器中的典型產(chǎn)品之一，其測(cè)量溫度范圍一般為-40～+125℃。它具有輸出線性良好、輸出阻抗低、易與控制電路接口等優(yōu)點(diǎn)，既可用于溫度的測(cè)量和控制，也可用于熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償和空氣及流體流速檢測(cè)等方面。其工作原理圖及封裝如圖7-16所示。圖7-16

μPC616的工作原理圖及封裝(a)原理圖；(b)方框圖；(c)封裝圖7-16(a)所示為μPC616溫度傳感器部分的原理圖，從圖中可以看出，μPC616是通過(guò)采用一對(duì)非常匹配的晶體管V1和V2，使它們工作在不同的電流I1與I2下，利用晶體管Ube之差

ΔUbe與溫度T的線性關(guān)系來(lái)測(cè)溫的。ΔUbe與溫度T的關(guān)系可用下式表示

ΔUbe=(kT/e)ln(I1/I2)

(7-19)

式中:k——波爾茲曼常數(shù)；

e——單位電荷電量。圖7-16(b)所示為μPC616的原理方框圖，從圖中可以看出，μPC616電路可分為溫度傳感器、穩(wěn)壓部分和運(yùn)算放大器部分。其中，溫度傳感器部分具有10mV／K的溫度系數(shù)，其

輸出電壓的絕對(duì)值在T＝298.2K(25℃)時(shí)為2.982V，因此，μPC616可以很方便地把它的電壓輸出值轉(zhuǎn)換成絕對(duì)溫度值。穩(wěn)壓部分等效成一個(gè)擊穿電壓為6.85V的齊納二極管，由于其

具有溫度補(bǔ)償功能，因此使輸出電壓十分穩(wěn)定，從而使整個(gè)電路性能具有穩(wěn)定、可靠和重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)算放大器在電路中具有兩個(gè)功能：其一是當(dāng)μPC616用于測(cè)溫時(shí)，運(yùn)放的反相輸入端與輸出端連接而成為電壓跟隨器，輸出電壓值與所測(cè)絕對(duì)溫度T相對(duì)應(yīng)，溫度與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系為100K／V，μPC616的T-V轉(zhuǎn)換曲線如圖7-17所示；其二是當(dāng)μPC616用于溫度控制時(shí)，運(yùn)放的反相輸入端單獨(dú)使用，作為溫度控制時(shí)設(shè)定值的輸入。圖7-17

μPC616的T-U轉(zhuǎn)換曲線

2.μPC616的典型應(yīng)用電路

1)μPC616測(cè)溫電路

μPC616的測(cè)溫電路十分簡(jiǎn)單，圖7-18所示是用于測(cè)溫的兩種基本電路。電路中的1腳、2腳相連，第3腳與1、2腳之間的輸出電壓具有10mV/K的溫度系數(shù)，即Uo=(10mV／K)×T，T為絕對(duì)溫度。由圖7-16(b)可知，第3、4腳之間有一個(gè)相當(dāng)于6.85V的穩(wěn)壓管，為使穩(wěn)壓管能正常工作，外加電源應(yīng)大于6.85V并且必須串入一個(gè)電阻，這個(gè)電阻值的大小可以根據(jù)μPC616的工作電流和外加電壓來(lái)確定。外加電壓必須高于6.85V，通常取15V，工作電流一般選在1mA左右，因此，根據(jù)計(jì)算可知，電阻R的值為8.2kΩ左右，通常取7.5kΩ。圖7-18應(yīng)用μPC616實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的兩種基本電路(a)正電源接法；(b)負(fù)電源接法圖7-18所示測(cè)溫電路中，輸出電壓值Uo與所測(cè)絕對(duì)溫度T相對(duì)應(yīng)，若要使輸出電壓值Uo可直接表示攝氏溫度，則可用如圖7-19所示的攝氏溫度檢測(cè)電路。攝氏溫度檢測(cè)電路主要利用外圍分壓電路對(duì)μPC616自身的參考電壓即6.85V電壓進(jìn)行分壓，從而得到2.73V作為其偏置電壓；這樣就使輸出電壓移動(dòng)

-2.73V，也就是使傳感器在273K(0℃)時(shí)輸出為0，從而使補(bǔ)償后的輸出電壓Uo直接指示攝氏溫度，而不是絕對(duì)溫度。圖7-19攝氏溫度檢測(cè)電路

2)μPC616溫度控制電路

μPC616集成溫度傳感器除可用于測(cè)量溫度外，還可用于溫度控制，典型電路如圖7-20所示。溫度傳感器的1腳作為控制信號(hào)輸出端，2腳作為溫度設(shè)定值的輸入端。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R3，使2腳的輸入電壓與某一設(shè)定溫度值對(duì)應(yīng)，當(dāng)外界溫度超過(guò)或低于此設(shè)定溫度時(shí)，1腳就會(huì)輸出高電平或低電平，完成對(duì)溫度的判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制或進(jìn)行報(bào)警。圖7-20

μPC616溫度控制電路7.5.2電流型集成溫度傳感器

電流型集成溫度傳感器的典型代表產(chǎn)品有AD590，下面就以其為例來(lái)說(shuō)明。

1.AD590簡(jiǎn)介

AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，它利用電路產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流作為輸出，其溫度系數(shù)為1μA/K，即在298.2K(25℃)時(shí)，輸出電流為298.2μA。其測(cè)溫范圍為-55～+150℃，電源電壓范圍為4～

30V。它是一種絕對(duì)溫度與電流的轉(zhuǎn)換器件，廣泛應(yīng)用于測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度等不同的溫度控制場(chǎng)合及熱電偶的冷端補(bǔ)償電路中。另外，作為一種高阻電流源，它不存在反饋線上的電壓信號(hào)損失和噪聲干擾問(wèn)題，因此特別適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。

AD590具有精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好等優(yōu)點(diǎn)，一共有I、J、K、L、M五擋，其中M擋精度最高，在-55～+150℃范圍內(nèi)，其非線性誤差為±0.3℃。

2.AD590的典型應(yīng)用電路

1)AD590基本測(cè)溫電路

AD590的測(cè)溫電路也十分簡(jiǎn)單方便，圖7-21所示是用于測(cè)溫的兩種基本電路。其中，圖(a)為AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路，圖(b)為AD590用于測(cè)量攝氏溫度的應(yīng)用電路。由圖7-21(a)可知，由于流過(guò)AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R和電位器RP的電阻之和為1kΩ時(shí)，輸出電壓Uo隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益會(huì)有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法是把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器RP，使Uo=273.2mV；或者在室溫(25℃)條件下調(diào)整電位器RP，使Uo=273.2+25=298.2mV，不過(guò)這樣的調(diào)整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。

圖7-21(b)所示的攝氏溫度測(cè)量電路中，電位器RP1用于調(diào)整零點(diǎn)，RP2用于調(diào)整運(yùn)放的增益。調(diào)整方法是首先在0℃時(shí)調(diào)整RP1，使輸出Uo=0；其次在100℃時(shí)調(diào)整RP2使Uo=10V，如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0℃時(shí)Uo=0V，100℃時(shí)Uo=10V為止，最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25℃，那么Uo應(yīng)為

2.5V。注意，冰水混合物是0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。圖7-21應(yīng)用AD590實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的兩種基本電路(a)AD590基本測(cè)溫電路；(b)AD590攝氏溫度測(cè)溫電路

2)AD590測(cè)量溫差電路

圖7-22所示為利用兩個(gè)AD590測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差的電路，電路中一般要用兩個(gè)性能相同的AD590，R1和RP用于調(diào)整零點(diǎn)。這種電路通常把一個(gè)AD590視為參考環(huán)境溫度T1，另一個(gè)用來(lái)監(jiān)視變動(dòng)溫度值T2。由該電路可知，輸出電壓Uo＝IRf，即當(dāng)T1＝T2時(shí)，I＝0，則Uo＝0V；當(dāng)T1≠T2時(shí)，I≠0，則Uo≠0V，Uo的大小與T1、T2的溫差成正比。

另外，還可以通過(guò)將不同測(cè)溫點(diǎn)上的數(shù)個(gè)AD590相串聯(lián)，測(cè)出所有測(cè)量點(diǎn)上的溫度最低值，即測(cè)量多點(diǎn)最低溫度。也可以通過(guò)將不同測(cè)溫點(diǎn)上的數(shù)個(gè)AD590相并聯(lián)，測(cè)出所有測(cè)量點(diǎn)上溫度的平均值，即測(cè)量多點(diǎn)平均溫度。圖7-22

AD590測(cè)量溫差電路

3)攝氏和華氏數(shù)字溫度計(jì)

攝氏和華氏數(shù)字溫度計(jì)主要由集成溫度傳感器AD590、ICL7106和顯示器組成，電路原理圖如圖7-23所示。ICL7106包括A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘發(fā)生器、參考電壓源、BCD七段譯碼和顯示驅(qū)動(dòng)器等。它與AD590、幾個(gè)電阻及顯示器就構(gòu)成了一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)，而且能實(shí)現(xiàn)攝氏和華氏兩種定標(biāo)制的溫度測(cè)量和顯示。采用攝氏還是華氏取決于外圍幾個(gè)電阻的取值，具體取值如表7-4所示。圖7-23攝氏和華氏數(shù)字溫度計(jì)原理圖思考題

7.1填空題

(1)熱電式傳感器是一種將______________變化轉(zhuǎn)換為_(kāi)___________變化的裝置。

(2)根據(jù)測(cè)溫方法的不同，熱電式傳感器可分為_(kāi)_______和________兩大類(lèi)。

(3)將幾個(gè)同____________熱電偶的正極和負(fù)極分別連接在一起就組成熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路，利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量_____________。(4)熱電偶標(biāo)定方法主要有________和________兩種。

(5)傳熱誤差主要由________、________和________