10.1溫度測量

一、溫度概述

1．溫度與溫標溫度是工業生產和科學實驗中一個非常重要的參數。物體的許多物理現象和化學性質都與溫度有關。許多生產過程都是在一定的溫度范圍內進行的,需要測量溫度和控制溫度。隨著科學技術的發展,對溫度的測量越來越普遍,而且對溫度測量的準確度也有更高的要求。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。為了定量地描述溫度的高低,必須建立溫度標尺,即溫標。溫標就是溫度的數值表示。

歷史上提出過多種溫標,如早期的經驗溫標（攝氏溫標和華氏溫標）,理論上的熱力學溫標等。當前世界通用的是1990年制定的國際溫標（ITS-90）,它同時定義了國際開爾文溫度（符號T90）和國際攝氏溫度（符號t90）。T90和t90之間的關系為在實際應用中,一般直接用T和t代替T90和t90

2．溫度測量的主要方法和分類

(1)溫度傳感器的組成 通常由現場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成,如下圖所示。簡單的溫度傳感器往往是溫度傳感器和顯示組成一體的,一般在現場使用。

接觸式測溫方法是使溫度敏感元件和被測溫度對象相接觸,當被測溫度與感溫元件達到熱平衡時,溫度敏感元件與被測溫度對象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結構簡單，工作可靠，精度高，穩定性好，價格低廉等優點。這類測溫方法的溫度傳感器主要有:基于物體受熱體積膨脹性質的膨脹式溫度傳感器，基于導體或半導體電阻值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器，基于熱電效應的熱電偶溫度傳感器。接觸式測量——熱傳遞原理。非接觸式測量——熱輻射原理。(2)溫度測量方法及分類

非接觸式測溫方法是應用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關,并且以電磁波形式向四周輻射,當選擇合適的接收檢測裝置時,便可測得被測對象發出的熱輻射能量并且轉換成可測量和顯示的各種信號,實現溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。 非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測量滯后和在溫度范圍上的限制,可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度,不干擾被測溫度場,但精度較低,使用不太方便。

二、膨脹式溫度傳感器

根據液體、固體、氣體受熱時產生熱膨脹的原理,這類溫度傳感器有液體膨脹式、固體膨脹式和氣體膨脹式。

1．液體膨脹式

它是利用液體受熱后體積膨脹原理來測量溫度的。常用的電接點式傳感器。它有固定式和可調式兩種。圖10-4所示為可調電接點式溫度計,其中一根鉑絲接在毛細管下部固定處,另一根鉑絲根據設定溫度可以上下移動,當升至設定溫度時,鉑絲與水銀柱接通,反之斷開,這種既可指示,又能發出通斷信號,常用于溫度測量和雙位控制。 2．固體膨脹式

固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產生膨脹變形來測溫的。它由兩種線膨脹系數不同的金屬緊固結合而成雙金屬片,為提高靈敏度常作成螺旋形。圖10-5所示為雙金屬溫度計的結構示意圖。螺旋形雙金屬片一端固定,另一端連接指針軸,當溫度變化時,雙金屬片彎曲變形,通過指針軸帶動指針偏轉顯示溫度。它常用于測量-80℃～600℃范圍的溫度,抗震性能好，讀數方便,但精度不太高,用于工業過程測溫、上下限報警和控制。

3．氣體膨脹式

氣體膨脹式是利用封閉容器中的氣體壓力隨溫度升高而升高的原理來測溫的,利用這種原理測溫的溫度計又稱壓力計式溫度計,如下圖10-6所示。溫包、毛細管和彈簧管三者的內腔構成一個封閉容器,其中充滿工作物質（如氣體常為氮氣）,工作物質的壓力經毛細管傳給彈簧管,使彈簧管產生變形,并由傳動機構帶動指針,指示出被測溫度的數值。 壓力溫度計結構簡單、抗振及耐腐蝕性能好,與微動開關組合可作溫度控制器用,但它的測量距離受毛細管長度限制,一般充液體可達20m,充氣體或蒸汽可達60m。圖10－610.2熱電偶傳感器

熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器。它構造簡單,使用方便,具有較高的準確度、穩定性及復現性,溫度測量范圍寬,在溫度測量中占有重要的地位。

1.熱電偶測溫原理

兩種不同的導體（或半導體）組成一個閉合回路,如圖所示。當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產生電動勢。這種現象成為熱電效應。該電動勢稱為熱電動勢。這兩種不同的導體或半導體的組合稱為熱電偶。兩個接點,一個稱為工作端(熱端)，另一個稱為自由端(冷端)。它所產生的熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。

接觸電勢——是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。接觸電勢的大小取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。其數值可用下式計算式中:K為波爾茲曼常數;e為單位電荷電量;

NA(t)、NB(t)分別是導體A、B在溫度為t

時的電子密度。

溫差電勢——是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。當同一導體的兩端溫度不同時,高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多,結果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電,因此,在導體兩端便形成接觸電勢,其大小由下面公式給出:假設NA>NB，T>T0，則熱電偶回路中產生的總熱電勢為

EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)－EAB(T0)－EA(T,T0)(10-6)由于溫差電勢比接觸電勢小很多,可忽略,從而得

EAB(T,T0)=EAB(T)－EAB(T0)（10-7）對于已選定的熱電偶,當參考端溫度T0恒定時,EAB(T0)=C為常數,則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系,即

EAB(T,T0)=EAB(T)－C=f(T)

此式表明，只要測量出EAB(T,T0)的大小，就可知道T，這就是熱電偶的測溫原理。

實際應用中,熱電勢與溫度之間關系是通過熱電偶分度表來確定的。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值對應關系。用熱電偶測溫,還要掌握熱電偶基本定律。下面引述幾個常用的熱電偶定律。

2.熱電偶基本定律

（1）中間導體定律

在熱電偶測溫回路內,接入第三種導體時,只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。證明如下：

設接入第三種導體的回路如圖10-8所示。由于溫差電勢可忽略不計,則回路中總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和。即

EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)(10-9)當T=T0

時,有

EBC(T0)+ECA(T0)=－EAB(T0)（10-10）將(10–10)式代入(10-9）式中得

EＡＢＣ(T,T0)=EAB(T)－EAB(T0)=EAB(T,T0)（10-11） 證畢

(2)中間溫度定律

在熱電偶測溫回路中，設Tc為熱電偶極板上某一點的溫度。熱電偶AB在接點溫度為T、T0時的熱電勢EAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點溫度T、Tc和Tc、T0時的熱電勢EAB(T,Tc)和EAB(Tc,T0)的代數和（見圖10-7）,即：

該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。在實際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質，可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。

(3)均質導體定律

由一種均質導體組成的閉合回路中,不論導體的截面和長度如何，各處的溫度分布如何,都不能產生熱電勢。 這條定理說明,熱電偶必須由兩種不同性質的勻質材料構成。且熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。如果熱電偶的電極是非勻質導體，當導體上存在溫差時，將會有附加電動勢產生。從而造成測量誤差。所以，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質量的重要技術指標之一。

3.熱電偶類型

理論上講,任何兩種不同材料的導體都可以組成熱電偶,但為了準確可靠地測量溫度,對組成熱電偶的材料必須經過嚴格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應滿足以下條件:熱電勢變化盡量大,熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系,物理、化學性能穩定,易加工,復現性好,便于成批生產,有良好的互換性。目前國際上被公認比較好的熱電偶材料只有幾種。國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶,所謂標準化熱電偶,它已列入工業標準化文件中,具有統一的分度表。我國從1988年開始采用IEC標準生產熱電偶。表10-1為我國采用的幾種熱電偶的主要性能和特點。表10－1標準化熱電偶的主要性能和特點

表中所列的每一種熱電偶中前者為熱電偶的正極,后者為負極。目前工業上常用的有四種標準化熱電偶,即鉑銠30--鉑銠6,鉑銠10-鉑,鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶,它的分度表見下表10-2至表10-5

另外,目前還生產一些特殊用途的熱電偶,以滿足特殊測溫的需要。如用于測量3800℃超高溫的鎢鎳系列熱電偶,用于測量2~273K的超低溫的鎳鉻-金鐵熱電偶等。表10－2S型（鉑銠10－鉑）熱電偶分度表表10－3B型（鉑銠30－鉑6）熱電偶分度表表10－4K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶分度表表10－5E型（鎳鉻－銅鎳）熱電偶分度表 4.熱電偶的結構形式

為了適應不同生產對象的測溫要求和條件,熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。

(1)普通型熱電偶

普通型結構熱電偶工業上使用最多,它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成，其結構如下圖10－9所示。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。圖10－9

(2)鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體,如下圖10-10所示。它可以做得很細很長,使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優點是測溫端熱容量小,動態響應快,機械強度高,撓性好,可安裝在結構復雜的裝置上,因此被廣泛用在許多工業部門中。

圖10－10

(3)薄膜熱電偶

薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學凃層等辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶,如下圖10-11所示。薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有熱容量小,反應速度快等的特點,熱相應時間達到微秒級,適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度測量。圖10-11

5.熱電偶的補償導線及冷端溫度補償方法

從熱電偶測溫基本公式可以看到,對某一種熱電偶來說熱電偶產生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關,即:

EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)（10-13）熱電偶的分度表是以t0=0℃作為基準進行分度的,而在實際使用過程中,參考端溫度往往不為0℃,那么工作端溫度為t時,分度表所對應的熱電勢EAB(t,0)與熱電偶實際產生的熱電勢EAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫度定律得到下式:

EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)

由此可見,EAB(t0,0)是參考端溫度t0的函數,因此需要對熱電偶參考端溫度進行處理。

(1)熱電偶補償導線

在實際測溫時,需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表,這樣參考端溫度t0也比較穩定。熱電偶一般做得較短需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導線,它通常由兩種不同性質的廉價金屬導線制成,而且在0~100℃溫度范圍內,要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。常用熱電偶的補償導線列于表10-6

表10－6

(2)冷端溫度修正法

采用補償導線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩定的地方,但只要參考端溫度不等于0℃,需要對熱電偶回路的電勢值EAB(t,t0)加以修正,修正值為EAB(t0,0)。即：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)

經修正后的實際熱電勢EAB(t,0),可由分度表中查出被測實際溫度值t。

(3)參考端0℃恒溫法

在實驗室及精密測量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0℃,這種方法又稱冰浴法。

(4)冷端溫度自動補償法（補償電橋法）

補償電橋法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓作為補償信號,來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。如下圖10-12所示,不平衡電橋由三個電阻溫度系數較小的錳銅絲繞制的電阻R1、R2

、R3電阻溫度系數較大的銅絲繞制的電阻RCu

和穩壓電源組成。補償電橋與熱電偶參考端處在同一環境溫度,但由于RCu的阻值隨環境溫度變化而變化,如果適當選擇橋臂電阻和橋路電流,就可以使電橋產生的不平衡電壓Uab補償由于參考端溫度t0變化引起的熱電勢EAB(t,t0)變化量,從而達到自動補償的目的。圖10－12

4．熱電偶測溫線路

熱電偶測溫時,它可以直接與顯示儀表（如電子電位差計、數字表等）配套使用,也可與溫度變送器配套,轉換成標準電流信號,圖10-13為典型的熱電偶測溫線路。如用一臺顯示儀表顯示多點溫度時,可按圖10-14連接,這樣可節約顯示儀表和補償導線。特殊情況下,熱電偶可以串聯或并聯使用,但只能是同一分度號的熱電偶,且參考端應在同一溫度下。如熱電偶正向串聯,可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度。在測量兩點溫差時,可采用熱電偶反向串聯。利用熱電偶并聯可以測量平均溫度。熱電偶串、并聯線路如圖10-15所示10.3熱電阻傳感器

熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類,一般把金屬熱電阻稱為熱電阻,而把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。 熱電阻廣泛用來測量-200~+850℃范圍內的溫度,少數情況下,低溫可測量至1K,高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高,并作為復現國際溫標的標準儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導線及顯示儀表組成,

如下圖10-16所示。熱電阻也可與溫度變送器連接,轉換為標準電流信號輸出。

圖10-16

（一）常用熱電阻

用于制造熱電阻的材料應具有盡可能大和穩定的電阻溫度系數和電阻率,R-t關系最好成線性,物理化學性能穩定,復現性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。

1.鉑熱電阻

鉑熱電阻的特點是精度高、穩定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。按IEC標準,鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200~+850℃。 在-200~0℃的溫度范圍內:Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］(10-15)

在0~850℃的溫度范圍內:Rt=R0(1+At+Bt2)式中：Rt和R0分別為t℃和0℃時鉑電阻值; A、B和C為常數。 在ITS-90中,這些常數規定為:A=3.9083×10-13/℃B=-5.775×10-7/℃2

C=-4.183×10-12/℃4

從上式看出,熱電阻在溫度t時的電阻值與R0

有關。目前我國規定工業用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表,即Rt-t的關系表,這樣在實際測量中,只要測得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對應的溫度值。Pt100的分度表見下表10-7

。 鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W100表示,它是鉑熱電阻在100℃時電阻值R100與0℃時電阻值R0之比。即W100=R100/R0(W100越大，其純度越高）

按IEC標準,工業使用的鉑熱電阻的W100>1.3850。表10-7

2.銅熱電阻

由于鉑是貴重金屬。因此,在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合,可采用銅熱電阻進行測溫,它的測量范圍為-50~+150℃。其電阻值與溫度的關系幾乎是線性的,可近似地表示為:Rt=R0（1+αt）（10-17）式中：α=4.28×10-3/℃為銅熱電阻的電阻溫度系數。銅熱電組的兩種分度號為Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。 銅熱電阻線性好,價格便宜,但它易氧化,不適宜在腐蝕性介質或高溫下工作。

（二）熱電阻的結構

工業用熱電阻的結構如圖10-17所示。它由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等部分組成。電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撐和絕緣作用,引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲,它與接線盒柱相接,以便與外接線路相連而測量顯示溫度。

用熱電阻傳感器進行測溫時,測量電路經常采用電橋電路。而熱電阻與檢測儀表可能相隔一大段距離,因此熱電阻的引線對測量結果有較大的影響。為了減少影響，熱電阻的引線方式通常有兩線制、三線制和四線制三種。具體測量電路見圖10-22

其中，二線制中引線電阻對測量影響大,用于測溫精度不高場合。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響,用于高精度溫度檢測。（三）熱敏電阻通常熱敏電阻是由某些金屬氧化物和其他化合物按不同比例混合后精制而成。1.熱敏電阻的特點（1）熱敏電阻的溫度系數比金屬大。且溫度系數由正負之分。具有正溫度系數的熱敏電阻稱作PTC，負溫度系數的熱敏電阻稱作NTC，臨界溫度系數的熱敏電阻稱作CTR。（2）熱敏電阻是非線性元件，即電阻值與溫度之間成非線性關系，或電壓——電流特性是非線性。典型熱敏電阻非線性特性如圖所示。（3）結構簡單、機械性能好。可根據不同要求制成各種形狀。熱敏電阻的分類與符號 熱敏電阻分為直熱式和旁熱式兩種，一般直熱式為兩端器件，而旁熱式為四端器件，它除了半導體外還有金屬絲繞制的加熱器，。其符號如下圖所示直熱式熱敏電阻旁熱式熱敏電阻3.熱敏電阻型號和主要參數10.4集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是利用晶體管PN結的電流電壓特性與溫度的關系,把感溫PN結及有關電子線路集成在一個小硅片上,構成一個小型化、一體化的專用集成電路片。集成溫度傳感器具有體積小、反應快、線性好、價格低等優點,由于PN結受耐熱性能和特性范圍的限制,它只能用來測150℃以下的溫度。

1．基本工作原理

目前在集成溫度傳感器中,都采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件。下圖是集成溫度傳感器基本原理圖。圖10-18集成溫度傳感器基本原理

其中V1和V2是互相匹配的晶體管，I1和I2分別是V1和V2管的集電極電流,由恒流源提供。V1和V2管的兩個發射極和基極電壓之差ΔUbe可用下式表示,即:

式中：K——是波爾茲曼常數;q——是電子電荷量;

T——是絕對溫度;γ——是V1和V2管發射結的面積之比。從式中看出,如果保證I1/I2恒定,則ΔUbe就與溫度T成單值線性函數關系。這就是集成溫度傳感器的基本工作原理,在此基礎上，可設計出各種不同電路以及不同輸出類型的集成溫度傳感器。

1．集成溫度傳感器的信號輸出方式

(1)電壓輸出型

電壓輸出型集成溫度傳感器電路圖如下圖10-19所示。當電流I1恒定時,通過改變R1的阻值,可實現I1=I2,當晶體管的β>>1時,電路的輸出電壓可由下式確定,即:

若取R1=940Ω,R2=30KΩ,γ=37,則電路輸出的溫度系數為:（10-19）

10-19

當電流I1恒定時，通過改變R1的阻值，可實現I1=I2，當β>>1時

（2）電流輸出型

圖10-20為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖。V1和V2是結構對稱的兩個晶體管,作為恒流源負載,V3和V4管是測溫用的晶體管,其中V3管的發射結面積是V4管的8倍,即γ=8。流過電路的總電流IT為:

式中當R和γ

一定時,電路的輸出電流與溫度有良好的線性關系。若取R為358Ω,則電路輸出的溫度系數為:（10-20）

電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國AD公司生產的AD590,我國產的SG590也屬于同類型產品。基本電路與圖10-20一樣,只是增加了一些啟動電路,防止電源反接以及使左右兩支路對稱的附加電路,以進一步地提高性能。AD590的電源電壓4~30V,可測溫度范圍-50~+150℃。*2．AD590集成溫度傳感器應用實例

AD590是應用廣泛的一種集成溫度傳感器,由于它內部有放大電路,