第六章-温度检测详解

第六章温度检测温度是一个重要的物理参数，许多重要的物理、化学过程都要求在一定的温度条件下才能正常进行。温度的检查方法和仪表在科学研究和工农业生产中得到了广泛的应用。本章首先介绍温标的概念，然后分别介绍接触式测温传感器和非接触式测温仪表。在接触式测温传感器中介绍热电阻和热电偶；在非接触式测温中，介绍光学高温计、光电高温计、辐射温度计和比色温度计。教学目的：了解：热电偶、热电阻的原理、种类、结构与应用；掌握半导体热敏电阻、半导体温度传感器的原理、种类与应用特点，应用电路设计。了解非接触式测温。重点：热电偶冷端温度补偿方法，热电势计算方法6.1概述6.2热电阻式传感器6.3热电偶传感器6.4非接触式测温6.1概述6.1.1温度的基本概念和测量方法6.1.2温标6.1.1温度的基本概念和测量方法反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的，温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。测量方法：接触式测温和非接触式测温接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。常用的接触式测温仪表：(1)膨胀式温度计。(2)热电阻温度计。(3)热电偶温度计。(4)其他原理的温度计。特点：优点：直观、可靠，测量仪表也比较简单。缺点：由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。非接触测温温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。常用的非接触式测温仪表：(1)辐射式温度计：基于普朗克定理光电高温计，辐射传感器，比色温度计。(2)光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。光纤温度传感器，光纤辐射温度计。优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物体为运动物体时尤为适用。缺点：精度一般不高。6.1.2温标(温度标尺)建立温标必须具备三个条件：(1)固定的温度点（基准点）(2)测温仪器（确定测温质和测温量）(3)温标方程（内插公式）温度标尺(1)经验温标(2)热力学温标(3)国际温标(4)1990年国际温标(1)经验温标由特定的测温质和测温量所确定的温标华氏温标1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)在沸点和冰点之间等分为180份，每份为华氏1度(10F)。摄氏温标1742年瑞典人摄尔塞斯(Celsius)规定水的冰点沸点之间等分为100份，每份为1度(10C)。经验温标是借助于一些物质的物理量与温度之间的关系，用实验方法得到的经验公式来确定温度值的标尺，因此有局限性和任意性。(2)热力学温标1848年物理学家开尔文(Kelvin)首先提出确定的温度数值：热力学温度，绝对温度，用符号T表示，单位为开尔文，用K表示。热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负值，且冰点是273.15K，沸点是373.15K。请注意水的冰点和三相点是不一样的，两者相差0.01K。(3)国际温标1927年国际温标(ITS-27)1927年第七届国际计量大会决定采用具有3个基本特点：①尽可能接近热力学温标;②复显精度高并能确保量值的统一；③用以复现的标准温度计使用方便，性能稳定。国际温标经过几次修改：1948年国际温标(ITS－48)，1968年国际实用温标(IPTS－68)，1990年国际温标(ITS－90)(4)1990年国际温标(ITS－90)根据第18届国际计量大会的决议，自1990年1月1日起开始在全世界实行我国：自1994年1月1日开始全面实施90国际温标主要有三方面内容：①温度单位②定义固定温度点③复现固定温度点的方法①温度单位符号：T，单位为开尔文(K)，K的定义为水的三相点温度的1/273.16。用与冰点273.15K的差值表示的热力学温度称为摄氏温度，符号为t，单位为度(0C)，即t=T-273.15，并有10C=1K。摄氏度(0C)是由国际温标重新定义的，是以热力学温标为基础的。90国际温标定义国际开尔文温度T90和国际摄氏度t90，其间关系如同T和t一样，即t90=T90-273.15②定义固定温度点90国际温标的定义固定温度点是利用一系列纯物质各相间可复现的平衡状态或蒸汽压所建立起来的特征温度点。这些特征温度点的温度指定值是由国际上公认的最佳测量手段测定的。③复现固定温度点的方法90国际温标把温度分为4个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：0.65～5.0K间为3He或4He蒸汽压温度计；3.0～24.5561K间为3He或4He定容气体温度计；13.8033K～961.780C间为铂电阻温度计；961.780C以上为光学或光电高温计。在水的冰点以上的温度使用摄氏度单位(0C)，在冰点以下的温度使用热力学温度单位(K)。Endthe6.16.2热电阻式传感器利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器作用：主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测测温元件金属热电阻半导体热电阻6.2热电阻式传感器6.2.1金属热电阻6.2.2半导体热敏电阻6.2.3热电阻式传感器的应用6.2.1金属热电阻热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜1.常用热电阻铂热电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为―50～150℃。⑴铂热电阻长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关0100)100(RRW百度电阻比W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）≥1.3925目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度t在－200℃≤t≤0℃时：])100(1[320ttCtBtARRt当温度t在0℃≤t≤650℃时：]1[20tBtARRt国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391，R0分为50Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt50和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）⑵铜热电阻应用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：―50～150℃优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复现性能好。缺点：易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。铜电阻的阻值与温度之间的关系为)1(0tRRt关系是线性的工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。2.热电阻的结构普通工业用热电阻式温度传感器铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图6.2.2半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结优点：(1)热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍）(2)电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。(3)结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。热敏电阻分类：正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性PTC热敏电阻－正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻－负温度系数以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途：温度开关。NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路NTC热敏电阻热敏电阻的结构热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要参数热敏电阻的线性化热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式热敏电阻的结构形式热敏电阻的主要特性⑴温度特性⑵伏安特性⑴温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性00273127310110ttBTTBTeReRR式中RT,R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值()；T0,T——介质的起始温度和变化温度（K）；t0,t——介质的起始温度和变化温度（℃）；B——热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K，其大小取决于热敏电阻的材料。0011lnTTRRBT若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。一般取20℃和100℃时的电阻R20和R100计算B值，即将T=373K，T0=293K代入上式，则100201365RRnlB将B值及R0=R20代入式就确定了热敏电阻的温度特性:21TBdTdRRTTB和α值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量⑵伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系伏安特性当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。热敏电阻的主要参数⑴标称电阻值RH在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。⑵耗散系数H指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1℃时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW/℃；⑶热容量C热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的热量，单位为J／℃；⑷能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化1％所需耗散的功率。⑸时间常数τ温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T的介质中，热敏电阻的温度增量ΔT=0.63(T－T0)时所需的时间。⑹额定功率PE在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率/GHHC/热敏电阻的线性化可通过在热敏电阻上串并联固定电阻，作成组合式元件来代替单个热敏元件，使组合式元件电路特性参数保持一致并获得一定程度的线性特性。6.2.3热电阻式传感器的应用1、金属热电阻传感器－200～+500℃范围的温度测量特点：精度高、适于测低温。2、半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。1、金属热电阻传感器工业广泛使用，－200～+500℃范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000℃。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高