经典温度传感器

温度和常用的测温方法温度测量温度的宏观概念是冷热程度的表示，温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。温度---是一个基本物理量。常用的测温方法温度这一参数是不能直接测量的，一般根据物质的某些特性参数与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量而间接获取。根据测温传感器的使用方式，测温方法大体分为接触式和非接触式两种。温度测量(1)接触式测温法测温传感器敏感元件直接与被测物体接触，在足够长的时间内，使传感器与被测点达到热平衡，以实现温度测量。特点是：由于传感器与被测物体接触，所以测量比较直观、可靠，测温准确度较高，但它直接影响被测物体温度场的分布。使用该种方法需要使测温元件与被测物体达到热平衡，所以测温时产生较大的时间滞后，并由此带来测量误差。测温范围在1600℃以下，通常1000℃以下的温度容易测量，1200℃以上的温度不易测量。温度测量(2)非接触式测温法测温传感器不接触被测物体，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度，故又称辐射测温。特点是：测温传感器不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小，动态测量反应快，适于测量高温。受环境条件影响较大，测量精度较低。从理论上讲，其测温上限是无限的，实际上一般只用到3000℃。在高温领域中，使用较多的有辐射高温计、光学高温计和光电高温计等。近些年来，红外辐射高温计、比色温度计的应用也在逐渐扩大。温度测量常用测温方法的种类及特点温度测量双金属温度计结构双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计。其结构简单、牢固，可将温度变化转换成机械量变化。故：它不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是开关的“通断”控制），使用范围相当广泛。双金属温度计的工作原理（1）将其一端固定,如果温度升高,下面的金属B（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属A（例如因瓦合金）却几乎不变，致使双金属偏向上翘。温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲越大。（2）感温元件通常绕成螺旋形，一端固定，另一端连接指针轴。温度变化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上显示出温度的变化。温度测量温度测量热电温度计热电式传感器是将温度的变化转为电量输出变化的装置。工程测量中，又以温度转换成电势和电阻变化的方法最为普遍，所以一般将常用的温度传感器分为两大类，即：1。热电偶------温度→电势2。热(敏)电阻------温度→电阻将两种不同的金属A和B连接成图示的闭合回路。我们称它为热电偶。热电偶A.B材料称之为“热电极”(热偶的)温度测量如果将它们的两个接点中的一个加热,使其温度为T,而另一接点为T0即:TT0如果在回路中接入“检流计”则可看到回路中就有电流产生.这一现象称之为“热电效应”.这种情况下产生电流的电动势叫“热电势”并且表示为:热电势=EAB(T,T0)高温端处的A.B材料结点称为:“热端”或“工作端”.低温端处的A.B材料结点称为:“冷端”或“自由端”.热电偶作为为传感器,即:它可以实现将被测温度信号转换成热电势信号,而后经后接仪表测出电势的大小,就实现了温度的测量.温度测量由理论分析可知:热电效应产生的热电势EAB(T,T0)是由“接触电势”和“温差电势”两部分组成.即:EAB(T,T0)=接触电势(一)接触电势(Poltier电势)1793年,伏打发现,当两种不同的金属相互接触时.两种金属的接触表面各出现“异号电荷”,并称金属表面之间所产生的电位差为“接触电势”他还发现,接触电势的大小随两两接触的金属不同而大小不同.并且发现,所有的金属导体可以排列一个序列,序列中任何一种金属与后一种金属相接触,前者带正电后者带负电.铅.锌.锡.镉.铝.锑.铋.水银.铁.铜.银.金.铂.钯….+温差电势温度测量接触电势产生的机理当两种不同的导体A和B接触时,由于两者的电子密度不同,如:NANB.电子在两个方向上扩散的速度也不同,从A→B的电子比A←B的电子多.结果,A失去电子而带正电荷,B得到电子带负电荷.于是在A,B的接触面上形成静电场ES,并且阻碍电子的继续扩散,A,B之间就形成了电位差VA-VB即:接触电势.温度测量式中:eAB(T)和eAB(T0)---为导体A与B的接点在温度T和T0时形成的电位差.00BTBTATATNNNN和和---A.B导体在接点温度为T和T0时的电子密度.k---波尔兹曼常数1.38×10-23J/K或1.38×10-10尔格/OCe---单位电荷4.802×10-10绝对静电单位对于热电偶而言:eAB(T0)eAB(T)低温端高温端)()()(000TVTVTeBAAB)()()(TVTVTeBAABBTATNNekTln00ln0BTATNNekT温度测量(二)同一导体的温差电势(Tomson电势)单一导体中,如果两端温度不同,在两端间会产生电势,即单一导体的温差电势.机理:单一导体中由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能,因而向低温端扩散.高温端因失去电子而带正电,低温端由于得到电子而带负电,在高低温端之间形成了一个电位差,温差电势的大小可表示为dTTTeTTA0),(0),(0TTeA---导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势σ---Tomson系数,即导体两端温差为1OC时所产生的温差电势温度测量(三)热电偶的热电势),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABTTTTBAABABdTdTTeTe00)()(0TTBABTATBTATdTNNekTNNekT000)(lnln0TTBABTATBTATABdTNNekTNNekTTTE000)(lnln),(00温度测量值得注意的是在实际使用中,试验证明:接触电势一般为n/10伏---n伏(特)温差电势一般为n/100伏(特)∵TT0∴总电势:EAB(T,T0)中,接触电势EAB(T)所占的比重大.∴A为正极,B为负极.对上式整理可得:又∵NANBdTNNekTTETTBAAB0ln),(0BANNTTekln)(0温度测量分析:⒈热电偶总电势与NA.NB材料电子密度及两端接点温度T,T0有关.⒉电子密度NA.NB不仅取决于热电偶材料的特性,而且随温度变化,故其是一个非常量.⒊所以当材料一经确定,总电势EAB(T,T0)就成了温度T和T0的函数差.即EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)⒋如果用某种方法使“冷端”温度T0恒定,则对一定的材料的热电偶其总电势就只与T成单值函数关系.即EAB(T,T0)=f(T)–C=φ(T)式中:C为由恒定温度决定的常数,关系式由实验获得,测量时很有用处.BAABNNTTekTTEln)(),(00温度测量由上述原理,所以产生了各种材料热电偶的分度表。国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)铂铑13-铂(R)铂铑30-铂铑6(B)镍铬-镍硅(K)镍铬-康铜(E)铁-康铜(J)铜-康铜(T)镍铬硅-镍硅(N)(四)常用热电偶适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。温度测量1)铂铑10-铂热电偶由φ0.5mm的纯铂丝和直径相同的铂铑丝制成。铂铑丝为正极,纯铂丝为负极。它的特点是热电性能好，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期适用的温度为1400℃，短期使用温度为1600℃。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高,通常用作标准或测量高温的热电偶，其使用温度范围广（0~1600℃），均质性及互换性好；其缺点是价格昂贵,热电势较小，需配灵敏度高的显示仪表。2)镍铬-镍硅(镍铝)热电偶镍铬为正极，镍硅为负极。其特点是：使用温度范围宽（-50~1300℃)高温下性能较稳定，热电动势和温度的关系近似线性，价格便宜，因此是目前用量最大的一种热电偶。它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃。常用热电偶的特性温度测量镍铬为正极，康铜为负极。它的最大特点是在常用热电偶中热电动势最大，即灵敏度最高，适宜在－250~870℃范围内的氧化性或惰性气氛中使用,尤其适宜在0℃以下使用。在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。3)镍铬—康铜热电偶纯铜为正极，康铜为负极。其特点是：在贱金属热电偶中准确度最高，热电丝均匀性好，使用温度范围为-200～350℃。4)铜-康铜热电偶此外，还有非标准化热电偶，有钨铼系列（属难融金属），铂铑系列，铱铑系列，铂钼系列及非金属热电偶等。温度测量各种材料热电偶的分度表热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。温度测量（五）热电偶基本定律由可看出:⒈当材料相同时,即NA/NB=1,则无论两接点温度如何变化,回路中总电势EAB(T,T0)=0.⒉如果热电偶两端温度相同T=T0,尽管导体A.B材料不同,回路总电势亦为“零”.EAB(T,T0)=0.⒊热电偶A.B热电势与A.B材料的中间温度无关、与电偶的形状、大小无关.而只与接点温度有关.⒋热电偶回路中接入第三种材料的导线,只要第三种导线两端的温度相等,对热电偶的总电势没有影响.并称之为“中间导体定律”BAABNNTTekTTEln)(),(00温度测量)()()(00TeTeTeECABCAB),()()(00TTETeTeABABAB)()()(000TeTeTeABCABC0)()()(000TeTeTeECABCAB0TT令代入上式:当2.3点温度为T0时且TT0材料为C证明：只要第三种导线两端的温度相等,对热电偶的总电势没有影响.温度测量)()()()(011TeTeTeTeEBACBBCAB)()(11TeTeCBBC∵∴),()()(00TTETeTeABABAB)()()()(00TeTeTeTeEABABBAAB)()()()(011TeTeTeTeEBACBBCAB证明：只要第三种导线两端的温度相等,对热电偶的总电势没有影响.温度测量⒌标准电极定律)()().(00TeTeTTEABABAB).().().().(0000TTETTETTETTEBCACCBAC)()().(00TeTeTTEBCBCBC)()().(00TeTeTTEACACAC温度测量ETTETTECBAC).().(00根据中间导体定律则：).().().(000TTETTETTEABCBAC其中C导体，称为标准电极（铂制成），如果已求出各种电极对标准电极的热电势特性，可大大简化热电偶的配选工作。当结点温度为T,T0时,用导体A.B组成热电偶的热电势于,A.C与C.B热电偶的热电势之代数和.温度测量（六）冷端温度补偿从热电偶的工作原理及关系式EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)可知：热电势的大小，取决于冷、热端的温度之差如果冷端温度不是恒定的,而是波动的.所测得的温度就不是实际温度,即会产生误差.为了消除这种影响,常采用冷端补偿方法进行.⒈补偿导线法温度测量为了保证冷端温度恒定,常将其置于恒温箱中.由于热端加长必造成浪费,如果采用某种导线将冷端延伸出来,(导线在0-100OC范围内其热电性质与该热端相近),该导线称为补偿导线.例:试证明补偿导线的作用解:总电势为:)()()()()(101ateTeteTeECADCBDABEAB(T,T0)=ECD(T,T0)恒温箱温度测量设:回路各点温度相同,即:总热电势=00)()()()(1111teteteteCADCBDAB)()()()(1111tete