常用温度传感器原理讲义汇总Word格式文档下载.docx

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温度低的物体，其内部分子的平均动能小。

热力学的第零定律指出：

具有相同温度的两个物体，它们必然处于热平衡状态；

当两个物体分别与第三个物体处于热平衡状态时，这两个物体也处于热平衡状态，即这三个物体处于同一温度。

因此，如果我们能用可复现的手段建立一系列基准温度值，就可将其他待测物体的温度和这些基准温度进行比较，从而得到待测物体的温度。

1、温标与标定：

a）温标：

现代统计力学虽然建立了温度和分子动能之间的函数关系，但由于目前还

难以直接测量物体内部的分子动能，因而只能利用一些物质的某些物性（诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等）随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。

为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡量温度的统一尺度，即温标。

随着温度测量技术的发展，温标也经历了一个逐渐发展，不断修改和完善的渐进过程。

从早期建立的一些经验温标，发展为后来的理想热力学温标和绝对气体温标，到现今使用的具有较高精度的国际实用温标，其间经历了几百年时间。

经验温标

根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的

温标称为经验温标。

*华氏温标：

１７１４年德国人法勒海特（Ｆａｈｒｅｎｈｅｉｔ）以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零摄氏度，人体温度为温度计的１００度，把水银温度计从０度到１００度按水银的体积膨胀距离分成１００份，每一份为１华氏度，记作“１°

Ｆ”。

按照华氏温标，水的冰点为３２°

Ｆ，沸点为２１２°

Ｆ。

**摄氏温标：

１７４０年瑞典人摄氏（Ｃｅｌｓｉｕｓ）提出在标准大气压下，把水的冰点规定为０度，水的沸点规定为１００度。

根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度，平均分成１００等份，每一份称为１摄氏度，记作１℃。

摄氏温度和华氏温度的关系为

Ｔ＝（９/５）*ｔ＋３２*（６－１）

式中，Ｔ为华氏温度值；

ｔ为摄氏温度值。

除华氏温标和摄氏温标外，还有一些类似经验温标，如列氏温标、兰氏温标等，这里不再一一列举。

经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限（如摄氏温标为０℃、１００℃），超过了这个温区，摄氏温标将不能进行温度标定。

总之，经验温标具有很大的局限性，很快就不能适应工业和科技等领域的测温需要。

热力学温标

１８４８年由开尔文（Ｋｅｌｖｉｎ）提出的以卡诺循环（Ｃａｒｎｏｔｃｙｃｌｅ）为基础建立的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。

该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度———绝对零度（在实验中无法达到的理论温度，低于０Ｋ的温度不可能存在）与水的三相点温度分成２７３．１６份，每份为１Ｋ（Ｋｅｌｖｉｎ）。

热力学温度的单位为“Ｋ”。

a）

b）标定：

对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。

标准值法就是用适当

的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点（恒温）作标准值，把被标定温度计（或传感器）依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值（或传感器的输出），并利用国际温标规定的内插公式对温度计（传感器）的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定。

标定后的温度计可作为标准温度计使用。

另一种更为一般和常用的标定方法是把被标定温度计（传感器）与已被标定好的更高一级精度的温度计（传感器），紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温、降温，重复测试，若这些差值稳定，即可把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，完成对被标定温度计的标定。

各国都根据国际温标规定建立了自己的标准，并定期和国际标准相对比，以保证其精度和可靠性。

我国的国家温度标准保存在中国计量科学院。

各省（直辖市、自治区）市县计量部门的温度标准定期进行下级与上一级标准对比（修正）、标定，据此进行温度标准的传递，从而保证温度标准的准确与统一。

2、测量方法分类及其特点：

根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分为接触式和非接触式

两大类。

接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等，温度计的示值就是被测对象的温度。

接触式测温的测温精度相对较高，直观可靠，测温仪表价格较低，但由于感温元件与被测介质直接接触，会影响被测介质的热平衡状态，而接触不良又会增加测温误差；

若被测介质具有腐蚀性或温度太高亦将严重影响感温元件的性能和寿命。

根据测温转换的原理，接触式测温可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。

非接触式温度测量的特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接

受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。

因此，非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。

两类测温方法的主要特点如下表：

各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围如表：

3、热阻式测量方法：

热阻式测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。

用于制造热电阻的材料，电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。

另外，材料的物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。

热电阻测温的优点是信号灵敏度高，易于连续测量，可以远传（与热电偶相比），无需参比温度；

金属热电阻稳定性高，互换性好，精度高，可以用作基准仪表。

热电阻主要缺点是需要电源激励，有自热现象（会影响测量精度），测量温度不能太高。

常用热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。

a）铂电阻测温：

铂电阻的电阻率较大，电阻－温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；

在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。

国际ＩＴＳ—９０规定，在－２５９．３５～９６１．７８℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。

铂的纯度用XX电阻比Ｗ１００表示。

它是铂电阻在１００℃时电阻值Ｒ１００与０℃时电阻值Ｒ０之比，即Ｗ１００＝Ｒ１００／Ｒ０。

Ｗ１００越大，其纯度越高。

目前技术已达到Ｗ１００＝１．３９３０，其相应的铂纯度为９９．９９９５％。

国际ＩＴＳ—９０规定，作为标准仪器的铂电阻Ｗ１００应大于１．３９２５。

一般工业用铂电阻的Ｗ１００应大于１．３８５０。

目前工业用铂电阻分度号为Ｐｔ１００和Ｐｔ１０，其中Ｐｔ１００更为常用；

而Ｐｔ１０是用较粗的铂丝制作的，主要用于６００℃以上的测温。

铂电阻测温范围通常最大为－２００～８５０℃。

在５５０℃以上高温（真空和还原气氛将导致电阻值迅速漂移）只适合在氧化气氛中使用。

铂电阻与温度的关系为

当－２００℃＜ｔ＜０℃时：

当０℃≤ｔ≤８５０℃时：

式中，Ｒ０为温度为零时铂热电阻的电阻值（Ｐｔ１００为１００Ω，Ｐｔ１０为１０Ω）；

Ｒ（ｔ）为温度为ｔ时铂热电阻的电阻值；

Ａ、Ｂ、Ｃ为系数，Ａ＝３．９０８０２×

１０－３℃－１；

Ｂ＝－５．８０１９×

１０－７℃－２；

Ｃ＝－４．２７３５０×

１０－１２℃－４。

热电阻的结构：

工业热电阻的基本结构如图：

热电阻主要由感温元件、内引线、保护管三部分组成。

通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。

它的外形与热电偶相似，使用时要注意避免用错。

热电阻感温元件是用来感受温度变化的电阻器，它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。

作为热电阻丝的材料应具备如下条件：

电阻温度系数大，线性好，性能稳定；

使用温度范围广，加工方便；

固有电阻大，互换性好，复制性强。

能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂丝。

我国纯铂丝品种及应用范围如下表

绝缘骨架是用来缠绕、支承或固定热电阻丝的支架。

它的质量将直接影响电阻的性能。

因此，作为骨架材料应满足如下要求：

在使用温度范围内，电绝缘性能好；

热膨胀系数要与热电阻相近；

物理及化学性能稳定，不产生有害物质污染热电阻丝；

足够的机械强度及良好的加工性能；

比热容小，热导率大。

目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。

用不同骨架可制成多种热电阻感温元件。

采用云母骨架的感温元件特点是：

抗机械振动性能强，响应快。

很久以来多用云母做骨架。

但是，由于云母是天然物质，其质量不稳定，即使是优质云母，在６００℃以上也要放出结晶水并产生变形。

所以，采用云母骨架的感温元件使用温度宜在５００℃以下。

因其电阻丝并非完全固定，故受热后引起电阻变化小，电阻性能比较稳定，

但体积较大，不适宜在狭小场所进行测量，并且响应时间较长。

采用玻璃骨架的感温元件特点是：

体积小，响应快，抗振性强。

因铂丝已固定在玻璃骨架上，故在使用中不产生变形，因此，必须选取与电阻丝具有相同膨胀系数的玻璃作骨架，否则，当温度变化时引起膨胀或收缩，就会改变热电阻的性能。

感温元件较通用的尺寸是外径为１～４ｍｍ，长度为１０～４０ｍｍ。

这种玻璃骨架的软化点约为４５０℃，最高安全使用温度为４００℃，而且，低温到４Ｋ仍然可用。

采用陶瓷骨架的感温元件特点是：

体积小，响应快，绝缘性能好。

使用温度上限可达９６０℃。

陶瓷骨架的缺点是机械强度差，不易加工。

热电阻的引线形式：

内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。

内引线通常位于保护管内。

因保护管内温度梯度大，作为内引线要选用纯度高且不产生热电动势的材料。

对于工业铂热电阻而言，中低温用银丝作引线，高温用镍丝。

这样，既可降低成本，又能提高感温元件的引线强度。

对于铜和镍热电阻的内引线，一般都用铜、镍丝。

为了减少引线电阻的影响，内引线直径通常比热电阻丝的直径大很多。

热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图

两线制：

在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制热电阻。

这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。

因此，不适用于高精度测温场合使用。

并且在使用时引线及导线都不宜过长。

采用两线制的测温电桥如下图，

（ａ）为接线示意图，（ｂ）为等效原理图。

从图中可以看出热电阻两引线电阻ＲＷ和热电阻Ｒｔ一起构成电桥测量臂，这样引线电阻ＲＷ因沿线环境温度改变引起的阻值变化量２ΔＲＷ和因被测温度变化引起热电阻Ｒｔ的增量值ΔＲｔ一起成为有效信号被转换成测量信号，从而影响温度测量精度。

三线制：

在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线