温度传感器的连接与信号获取.docx
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温度传感器的连接与信号获取
情景五温度传感器的连接与信号获取
任务1：
炉温检测
5.1.1任务目标
使学生了解炉温检测器件、测温范围和测温电路。
5.1.2任务内容
针对炉温检测要求，确定温度传感器。
分析制定安装位置、实施效果检测方案，成本分析。
学生现场安装、连接和调测传感器电路。
5.1.3知识点
热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。
使用十分方便，常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
它的测温范围很广，常用的热电偶测温范围为－50℃～＋1600℃，某些特殊热电偶最低可测－270℃，最高可达＋2800℃。
它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
一、热电偶的外形结构、种类和特性
（一）常用热电偶的外形
各种普通装配型热电偶的外形如下图所示。
各种普通装配型热电偶
各种铠装型热电偶的外形如下图所示。
各种铠装型热电偶
各种防爆型热电偶的外形如图所示。
各种防爆型热电偶
（二）热电偶的结构
（a）（b）
热电偶的结构
（a）普通热电偶；（b）铠装热电偶
（三）热电偶的分类
1．热电偶的结构分类：
（1）普通热电偶：
普通热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。
常用于测量气体、蒸气和各种液体等介质的温度。
（2）铠装热电偶：
铠装热电偶又称缆式热电偶，此种热电偶是将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成型，经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。
可做得很细、很长，可弯曲，外径小到1～3mm。
主要特点是测量端热容量小、动态响应快、绕性好、强度高。
2．热电偶的种类：
（1）标准型热电偶：
标准型热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。
标准热电偶有配套显示仪表可供选用。
国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐了8种热电偶作为标准型热电偶。
表2-1是它们的基本特性。
热电偶名称的含义如下：
标准型热电偶及基本特性
热电偶名称
分度号
测温范围
特点
铂铑30-铂铑6
B
200~1700℃
测温上限高，性能稳定，精度高，热电势小，价格贵。
铂铑13-铂
R
0~1600℃
性能稳定，精度高，复现性好；热电势较小，价格贵，不能在金属蒸气和还原性气体中使用。
铂铑10-铂
S
0~1600℃
同上。
在所有热电偶中，准确度最高，用作标准标准温度计使用。
镍铬-镍硅
K
-200~1200℃
测温范围宽，热电势大且近似为线性，价格便宜，性能稳定，应用最广。
镍铬-康铜
E
-200~800℃
线性好，热电势最大，价格便宜。
铁-康铜
J
-200~750℃
价格便宜，热电势较大，极易氧化。
铜-康铜
T
-200~400℃
精度高，性能稳定，线性好，适用于低温测量。
镍铬硅-镍硅
N
-200~1200℃
新型热电偶，性能优于K型。
①铂铑30－铂铑6：
正负极均为铂铑合金，其中正极含铂70％、铑30％；负极含铂94％、铑30％
②铂铑13－铂：
正极为铂铑合金，含铂87％、铑13％；负极为纯铂。
③铂铑10－铂：
正极为铂铑合金，含铂90％、铑10％；负极为纯铂。
④镍铬－镍硅：
正极为镍铬合金，含镍90.5％、铬9.5％；负极为镍硅材料，含镍97.5％、硅2.5％
⑤镍铬－康铜：
正极为镍铬合金，含镍89％、铬10％，铁1％；负极为镍铜合金，含镍40％、铜60％。
（2）非标准型热电偶：
它的复现性差，没有统一的分度表，主要用于扩展高温和低温的测量以及特殊场合的测量。
①铱铑系：
热电动势与温度线性关系好，长期使用温度2000℃以下，适用于真空、还原性和惰性气体中。
②钨铼系：
可以使用到2800℃，适用于真空、还原性和惰性气体中。
③镍铬－铁金：
低温－270～0℃，低温下线性好，灵敏度高。
④银金－金铁：
测温范围为－270～－196℃。
二、热电偶工作原理
（一）热电效应
热电偶回路
由两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中，回路中产生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为“热电效应”，或称温差电效应。
由于这种效应是1821年德国物理学家赛贝克首先发现的，故又称为赛贝克效应。
热电偶回路如右图所示。
（二）几个概念
1．热电偶：
导体A、B组成的回路。
2．热电极：
两种导体A、B。
3．热电势：
闭合回路中的电势。
4．测量端（工作端、热端）：
置于被测温度（T）中。
5．参考端（自由端、冷端）：
置于恒定温度（T0）中。
（三）热电势的组成
热电势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势两部分组成。
1．接触电动势：
是两种不同材料的导体A、B接触时，由于两导体的自由电子密度不同，假设A自由电子密度大于B的自由电子密度，则A的自由电子向B扩散，形成A到B的电场。
在电场作用下，电子反方向运动，当达到动态平衡时，A与B之间的电位差就是接触电动势。
接触电动势：
2．温差电动势：
单一导体A、B，其两端分别置于不同的温度T、T0时，假设T大于T0，则热端T温度处的自由电子向冷端T0温度处移动，形成热端指向冷端的静电场。
在电场作用下，电子反方向运动，当达到动态平衡时，热端与冷端之间的电位差为温差电动势。
温差电动势：
3．总电动势：
接触电动势与温差电动势之和为热电偶的总电势。
由于温差电动势较小，可忽略。
若冷端T0温度保持不变，则总电动势：
从上式可看出，热电偶产生的热电动势只随热端（测量端）温度的变化而变化，即一定的热电动势对应一定的温度，测得热电动势就能测得温度了。
不同材料组成的热电偶，热电动势EAB与T的函数关系是不同的，它由实验法求取，并用分度表列出。
三、热电偶的基本定律
（一）均质导体定律
如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电偶回路内的总热电动势均为零。
应用：
由于两相同的热电极材料间无自由电子的扩散运动，总电动势为零。
因此，它可用于检查热电极成分是否相同。
（二）中间导体定律
在热电偶A、B回路中接入第三种导体C，如下图所示，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的电动势不变。
因为回路总接触电势：
若T=T0，则回路总电势为零，即：
所以：
接入导体C的热电偶回路
应用：
在回路中接入各种仪表，不影响回路的电动势。
（三）标准电极定律
如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电动势也就已知。
如右图所示。
三种导体分别组成的热电偶
应用：
测得各种金属与纯铂组成的热电动势，则各种金属相互组成的热电偶的热电动势也可知了。
（四）中间温度定律
热电偶在两接点温度T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时的相应热电动势的代数和。
如下图所示。
该定律表明，热电偶的两电极A、B被两根热电特性相同的材料
延长，且它们之间连接的两结点温度相同，则总电动势与连接点温度无关，只与延长后的热电偶两端的温度有关。
具有延长导线的热电偶
应用：
为补偿导线的使用提供了理论依据。
四、正确使用热电偶传感器
（一）热电偶要求冷端补偿
热电偶测温是将温度的变化转换为电势的变化，它们的对应关系是用分度表列出，而分度表上的值是在T0=0℃时测得的。
因此，用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足T0=0℃的条件。
在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样T0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差。
为此要采用一些措施进行补偿或者修正。
（二）热电偶冷端补偿方法
1．0℃恒温法：
将热电偶冷端置于0℃恒温容器中，从而保证冷端温度恒为0℃，此时热电偶的热电势与分度表一致。
这种方法精度较高，适用于实验室或精密测量中。
2．补偿导线法：
热电偶一般做得较短，约为350～2000mm。
当测温仪表与测量点距离较远时，冷端温度会受到周围环境影响而波动，为节省热电偶的材料，通常使用补偿导线法，即冷端温度延长法，如右图所示。
所谓补偿导线：
它是由两种不同性质的廉价金属材料制成，在0~150℃范围内与配接的热电偶具有一致的热电特性，起着延长热电偶冷端的作用。
补偿导线法原理图
应当注意：
补偿导线将热电偶的冷端延伸至远离热源、温度稳定的地方，若延伸端的温度不为零，则必须进行计算修正。
3．计算修正法：
当冷端温度T0保持恒定，但不等于0℃时，可采用计算修正法，对热电偶回路的测量电势值EAB（T，T0）加以修正。
根据中间温度定律：
EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0）。
若测得热电偶输出热电势E（T，T0）的数值，再由冷端温度T0查分度表得到冷端温度对应的热电势E（T0，0），即可求得EAB（T，0），再查分度表就能得到被测温度T了。
例题：
用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。
已知冷端温度T0=30℃，测得热电势EAB（T，T0）为33.29mV，求加热炉的温度？
解：
先由镍铬-镍硅热电偶分度表查得EAB（30，0）＝1.203mV。
根据中间温度定律可得：
EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0）=33.29+1.203=34.493mV
再查镍铬-镍硅热电偶分度表得T=829.8℃。
4．电桥补偿法：
电桥补偿法可以在冷端温度无法恒定时对热电偶进行冷端补偿。
补偿电桥（冷端补偿器）的作用：
在冷端温度变化时，提供一个与热电偶冷端变化引起的热电势变化大小相等，但极性相反的补偿电势，使得测量电路输出热电势不随冷端温度变化的影响。
如下图所示，热电偶回路中串接了电桥，桥臂电阻R1、R2、R3和限流电阻Rd由温度系数很小的锰铜丝绕制的，阻值几乎不随温度变化，电阻Rc由温度系数较大的铜丝绕制，随温度升高而增大。
电桥补偿法原理图
Rc与冷端温度相同，当冷端温度T0＝0℃时，电桥平衡，Uab＝0，补偿电桥不起作用；当T0＞0时，EAB（T，T0）将减小，而同时Rc增大，电桥失去平衡，Uab＞0，若把Uab的增加与EAB（T，T0）的减小设计得相同，则总输出保持不变，实现了补偿。
5．仪表机械零点调整法：
当热电偶的冷端温度比较稳定，而测量精度要求不太高时，可将显示仪表的机械零位预先调整到已知的冷端温度值上，相当于在输入热电偶的热电势前先给仪表输入一个热电势E（T0，0），这样，仪表使用时的指示值为
，消除了误差。
使用时要注意：
当气温变化时，由于T0变化了，应及时调整指针的位置。
（三）测量炉温电路
如下图所示，将热电偶的热端插入炉内检测炉温T，冷端通过补偿导线与测量仪表的输入铜导线相连，并插入冰瓶，保证T0＝0℃，此时通过测量仪表测得的热电势即可确定炉内的实际温度。
假如冷端温度T0不能保证为0℃，则须进行计算修正。
测量炉温
（四）热电偶的选择、安装使用和校验
热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。
安装点要代表性，安装方法要正确。
一般将热电偶安装在管道的中心线位置上，并使热电偶测量端面向流体，使测量端充分与被测介质接触，提高测量准确性，尽可能测得介质的真实温度。
为保证测温精度，热电偶要定期校验。
校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶在同一校验炉或恒温水槽中进行比对。
（五）热电偶测温误差原因
1．热电偶的非均匀性分度误差：
由于热电偶材料粗细不均匀或不纯等原因，使热电偶温差电特性与统一的分度表有一定的误差。
2．冷端不为零。
3．热电偶长期处于高温环境下已氧化变质。
4．各连接点接触不良。
5．测量仪表精度不高。
5.1.4任务材料
各种类型热电偶产品说明书，热电偶，电气元器件和辅助材料，万用表，电源。
5.1.5任务步骤
1．教师给出参考资料，下发任务书。
并重点讲解热电偶选型注意事项；
2．学生分组进行课程练习；
3．参考资讯中典型应用案例，学生结合具体任务要求选定传感器类型；
4．制定工作计划，根据元件及工具清单备齐物品。
5．学生现场安装、连接和调测传感器电路。
6．完成个人任务报告。
撰写小组自评报告。
情景五温度传感器的连接与信号获取
任务2：
管道温度检测
5.2.1任务目标
使学生了解热电阻的构成、测温范围和测温电路。
5.2.2任务内容
针对温度检测要求，确定热电阻。
分析制定安装位置、实施效果检测方案，成本分析。
学生现场安装、连接和调测传感器电路。
5.2.3知识点
热电阻是利用导体的电阻率随温度变化这一物理现象来测量温度的。
热电阻主要用于工业测温，它具有灵敏度高，稳定性、互换性好，精度高。
但它需要外加电源，测量温度不能太高，主要用于中、低温度（–200～＋650℃）范围的温度测量。
热电阻与热电偶相比，在相同的温度下输出信号较大，易于测量；热电阻的变化一般要经过电桥转换成电压输出。
为了避免或减少导线电阻对测温的影响，工业热电阻一般采用三线制接法。
一、热电阻的外形、结构及性能
（一）热电阻的外形
（a）（b）（c）（d）
各种热电阻的外形
（a）普通铂热电阻；（b）小型铂热电阻；（c）防爆型铂热电阻；（d）铜热电阻
（二）热电阻的结构形式
热电阻一般由测温元件（电阻体或电阻丝）、保护管和接线盒三部分组成，如下图所示。
铂热电阻结构图
1-金属保护套管；2-热电阻元件；3-绝缘材料；4-引线
（三）热电阻的主要技术性能
1．热电阻材料的性能要求：
①电阻值的变化与温度的变化线性要好。
②电阻温度系数α要大且保持常数。
α越大，灵敏度越高，纯金属的α比合金要高，所以一般采用纯金属作为热电阻。
③电阻率ρ要大。
ρ越大，在相同灵敏度下，热电阻体积越小，热惯性越小，反应速度越快。
④在测温范围内，材料物理、化学性能稳定。
⑤材料价格便宜，容易加工。
2．常用热电阻的主要技术性能：
常用热电阻的主要技术性能
材料
铂
铜
使用温度范围（℃）
－200～＋650
－50～150
电阻率（
）
0.0981～0.106
0.017
0～100℃间电阻温度系数α（平均值）（1/℃）
0.00385
0.00428
特性
线性良好，电阻率较高，容易加工，复制性好，物理、化学性能稳定，但温度系数较小，价格贵。
在测温范围内线性较好，温度系数高，容易提纯，价格便宜，但电阻率小，体积大，容易氧化。
应用
作为标准测温装置
适用低温，无水分，无腐蚀性介质的测温。
二、热电阻工作原理
大多数金属在温度升高1℃时，电阻值增加0.4％～0.6％，热电阻就是利用金属材料的阻值随温度升高而增大的这一特性来测量温度的。
首先将温度的变化转化为电阻值的变化，再通过测量电桥转换成电压信号送至显示仪表指示或记录被测温度。
三、正确使用热电阻传感器
（一）电桥测量电路的采用
热电阻测温是将温度的变化转换为电阻值的变化，由于电阻值的变化范围很小，一般采用电桥电路来测量微弱的阻值变化。
（二）三线制连接法
实际应用中，热电阻安装在生产环境中，感受被测介质的温度变化，而测量电阻的电桥通常作为信号处理器或显示仪表的输入单元，随相应的仪表安装在控制室。
热电阻作为电桥的一个桥臂，其连接导线也就成为桥臂电阻的一部分，并随环境温度的变化而变化，由于热电阻很小，连接导线阻值的变化给测量带来了较大的误差。
为此，工业上常采用三线制接法，如下图所示。
热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，若r1=r2,则由环境温度变化引起的引线电阻值的变化造成的误差将相互抵消。
热电阻的测量电路
（a）r3接检流计；（b）r3接电源回路
四、热电阻数字温度计
对于输油泵站进出口温度测量；热电、热力、蒸汽温度监测；机电设备轴瓦温度监测；食品酿造、发酵温度测量；石油炼制化工合成等测温场合，温度范围一般在0～500℃以内，可选用如右图所示的数字温度计。
该数字温度计的测温器件为热电阻Pt100，它的主要技术参数如下：
热电阻数字温度计
1．测量范围：
-50～500℃
2．精度：
±0.5%FS
3．采样时间：
1～5秒
4．显示：
4位LCD
5．供电电源：
3.6V/2Ah锂电池一节
6．环境条件：
温度：
-10～50℃，-35～55℃；湿度：
≤95%RH
7．测深：
30～2500mm
8．输入距离：
三线30m
9．冷端长度：
80～200mm
10．安装螺纹：
M27×2
5.2.4任务材料
各种类型热电阻产品说明书，热电阻，电气元器件和辅助材料，万用表，电源。
5.2.5任务步骤
1．教师给出参考资料，下发任务书。
并重点讲解温度传感器选型注意事项；
2．学生分组进行课程练习；
3．参考资讯中典型应用案例，学生结合具体任务要求选定传感器类型；
4．制定工作计划，根据元件及工具清单备齐物品。
5．学生现场安装、连接和调测传感器电路。
6．完成个人任务报告。
撰写小组自评报告。
情景五温度传感器的连接与信号获取
任务3：
冰箱温度检测
5.3.1任务目标
使学生了解数字节能电冰箱温度检测点，测温范围、测温器件和测温电路。
5.3.2任务内容
针对冰箱温度检测要求，确定测温传感器。
分析制定安装位置、实施效果检测方案，成本分析。
学生现场安装、连接和调测传感器电路。
5.3.3知识点
热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化较显著的特点制成的一种热敏元件。
它的测温范围在－50～350℃。
它具有灵敏度高；热惯性小，反应速度快；体积小，使用方便；制作简单，价格低廉，易于大批量生产等优点。
但它存在互换性差，热电特性为非线性的缺点。
大量用于各种要求不太高的温度测量和温度控制中。
一、热敏电阻的外形结构及符号
（一）各种热敏电阻的外形
各种热敏电阻的外形图
（二）各种热敏电阻的外形结构及符号（如图2-21所示）
热敏电阻的外形结构及符号
ａ）圆片型；b）柱型；c）珠型；d）铠装型；e）厚膜型；f）图形符号
1-热敏电阻；2-玻璃外壳；3-引出线；4-紫铜外壳；5-传热安装孔
二、热敏电阻的工作原理
半导体材料的电阻率温度系数有从－（1～6）％/℃～60％/℃范围内的各种数值，它为金属材料的温度系数的10～100倍。
热敏电阻就是利用半导体材料的电阻值随温度的变化而显著变化的这一特性制成的测温传感器。
三、热敏电阻的分类
如右图所示，热敏电阻的温度系数有正有负。
按温度系数的不同，热敏电阻可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数的热敏电阻（PTC）两大类。
各种热敏电阻的特性
NTC又分为负指数型和负突变型（CTR）两类，CTR一般在某一温度范围内，电阻值会发生急剧变化。
PTC分为线性型和突变型两类。
（一）负温度系数热敏电阻NTC
电阻率ρ随着温度的增加比较均匀的减小的热敏电阻。
主要用于温度测量和补偿，测温范围一般为–50～350℃，温度系数为－（1～6）％/℃。
（二）正温度系数热敏电阻PTC
它是一种新型的测温器件，温度变化与电阻率变化之间呈线性关系。
（三）PTC（突变）、CTR热敏电阻
电阻率ρ随着温度的变化而变化，当超过某一温度值时，电阻率发生急剧变化的热敏电阻。
它具有开关特性，适用于在某一较窄温度范围内做温度控制开关或监测使用。
四、正确使用热敏电阻传感器
（一）热敏电阻的挑选
由于热敏电阻的热电特性具有非线性，因此在选用时，要挑选在使用温度范围内线性变化，且寿命长，不易损坏的热敏电阻。
在一些场合，要外加线性化电路或通过查表，才能得到准确的温度值。
在家用电器中，大量设备如电冰箱、电饭煲、空调器、热水器、电熨斗、洗衣机等，都要对温度进行测量。
数字节能电冰箱中就有四个感温探头，其中两个感温探头感测冷藏室上部和下部温度，另一个感温头感测冷冻室温度，还有一个位于台面的感温头感测环境温度。
通过四个探头感测到环境、冷藏、冷冻的温度，再传输到控制系统进行处理，根据结果精确控制电冰箱的工作。
它们的测温范围一般在－30℃～＋50℃，而且要求体积小，价格低，因此可选用热敏电阻作为测温传感器。
冰箱冷藏室的温度范围一般在0℃～＋10℃；冷冻室温度范围在0℃～－30℃；环境温度在－10℃～＋40℃。
结合热敏电阻的相关知识，可选用负温度系数热敏电阻NTC作为测温传感器。
（二）热敏电阻的测量电路
由于热敏电阻的灵敏度高，阻值变化大，可直接用下图所示电路进行控制显示。
热敏电阻温度控制电路
（三）热敏电阻用于管道流量检测
热敏电阻可用于管道流量的检测，如下图所示。
图中Rt1和Rt2为热敏电阻，Rt1放入流量管道中，Rt2放入不受流体影响的容器内，R1、R2为一般电阻，四个电阻组成电桥。
当流体静止时，调节R2使电桥平衡，电流表无指示。
当流体流动时，Rt1的热量被带走，温度下降，导致Rt1阻值变化，电桥失去平衡，电流计有示值，指示值与流体流速成正比。
热敏电阻流量测量电路
5.3.4任务材料
各种类型热敏电阻产品说明书，热敏电阻，电气元器件和辅助材料，万用表，电源。
5.3.5任务步骤
1．教师给出参考资料，下发任务书。
并重点讲解热敏电阻选型注意事项；
2．学生分组进行课程练习；
3．参考资讯中典型应用案例，学生结合具体任务要求选定传感器类型；
4．制定工作计划，根据元件及工具清单备齐物品。
5．学生现场安装、连接和调测传感器电路。
6．完成个人任务报告。
撰写小组自评报告。
情景五温度传感器的连接与信号获取
任务4：
空调温度检测
5.4.1任务目标
使学生了解空调温度检测点，测温范围、测温器件和测温电路。
5.4.2任务内容
针对空调温度检测要求，确定测温传感器。
分析制定安装位置、实施效果检测方案，成本分析。
学生现场安装、连接和调测传感器电路。
5.4.3知识点
集成温度传感器是将温度敏感元件和放大、运算及补偿电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能温度传感器，又称温度IC。
虽然长期以来热敏电阻是最常用的测温元件，目前在一些工业和家用电器测温中起着重要作用，但集成温度传感器比起热敏电阻有着明显的优点，它具有测温精度高、重复性好、线性优、体积小、响应速度快、输出阻抗低，与数字电路可直接连接等特点，但价格比热敏电阻要高，工作温度范围较窄（－55℃～＋150℃）。
集成温度传感器分为：
模拟集成温度传感器和数字集成温度传感器两类。
有的集成温度传感器还具有控制功能，可设置温度上下限，到达设置温度时，传感器有相应的高低电平输出，可用来报警和输出控制。
一、AD590系列集成温度传感器
（一）AD590的外形和符号
AD590系列产品的外形及符号
AD590是电流输出型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，可直接制成绝对温度仪。
它有I、J、K、L、M等五档型号。
其系列产品的外形及符号如右图所示。
它共有三个管脚：
1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。
使用时将3脚接地，可起屏蔽作用。
（二）主要特性
1．测温范围：
－55℃～＋150℃；
2．非线性：
I：
±3℃；J：
±1.5℃；K：
±0.8℃；L：
±0.4℃；M：
±0.3℃；
3．
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