第七章 过程参数检测中的常用传感技术

表7－2 标准化热电偶的主要性能
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表7－3 标准化热电偶的主要性能
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在实际测温时，一般应在了解热电偶基本特性的前提下，根据被 测对象、 测量气氛、测温范围等正确选择热电偶。 按使用温度考虑：1000C之内一般选用贱金属热电偶，如-200300C可选用 T型或E型。1300C之内可选用N型或K型，10001400C可选用R、S型， 14001800C可选用B型，高于1800C就要采用非标准的无赖钨铼系列热电 偶。 按环境气氛考虑：当环境气氛有氧化性，温度低于1300C可选用K型或N型， 高于1300C应选用铂铑系列。若环境气氛为真空或有还原性，温度低于 950C可选用J型，高于1600C应选用钨铼系列。 参考端温度影响除用冷端补偿措施外，也可通过适当选型解决。当温度低于 1000C时，可选用K型热电偶，冷端温度在030C对测量的影响可忽略不计， 温度高于1000C选用B型热电偶，可忽略冷端温度影响。 热电偶偶丝直径选择与温度有关，也影响动态特性和精度。直径大响应时间 长，直径小则使电阻增大，影响与测量电路的阻抗匹配，使精度下降。
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（２）半导体热敏电阻的特点
热敏电阻灵敏度高，一般是金属热电阻的10多倍，电阻值高，通常在千欧 以上，引线电阻对测温几乎没有影响，不必使用三线制，响应时间快，可用 于动态测量，结构简单，价格便宜，化学稳定性好，可用于恶劣环境。但其 缺点是电阻温度系数的非线性严重，而且一般仅适用于350C以下的温度检 测。图7-2为常见热敏电阻结构形式。 使用半导体热敏电阻应注意：防止过电流使用以防电阻烧坏；开始测量读数 的时间常数应大于时间常数57倍，以保证读书稳定准确；避免在温度急骤变 化的场合使用；注意防水耐寒等。 图7-2 热敏电阻结构形式
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7．1．2 参数检测应考虑的问题
1、正确选定被测参数和检测点 在工业过程检测中，被测参数有时并不是所要求的直接参数，而是需要用间 接方法确定一个或几个中间参数。对于一些复杂或特殊的检测过程，还需要 选择多个检测参数并进行多次检测。因此在选择被测参数和检测点时，应考 虑被测对象的状态和特征，所选参数和检测点应具有典型性和代表性。
RT dT
T
由式（7-4）可以看出，电阻温度系数随着温度变化而变化，即灵敏度随着温 度的升高而降低，因此限制了热敏电阻只能在低温下使用。根据电阻温度系 数可以将热敏电阻分为NTC热敏电阻、PTC热敏电阻、CTR热敏电阻三类。 NTC热敏电阻适用范围宽，从1mK100K的超低温到1300 2000C的高温， 之间的各温度段都可测量；NTC测量范围为-50 150C；CTR测温范围为0 150C。
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7．2．2 测温方法分类
温度表征物体分子热运动的剧烈程度，难以直接测量，因此均是根据物体 物理性质随温度变化的特征进行间接测量。归结起来温度测量方法分为接触 式测量和非接触式测量两类。 1、接触式测量 接触式测量依据的是物体的热平衡原理，优点是直观、可靠、体统结构简单。 缺点是时间滞后，对于较小的物体，可能因测温元件引入影响温度场分布而 造成测量误差，难以测量运动物体温度，另外受温度计材质限制一般只适合 于中低温测量。 常用的接触式测温仪表有：基于热膨胀原理的膨胀式温度仪表、基于密闭容 积内介质随温度升高而压力升高的压力式测温仪表、基于金属导体电阻温度 效应的热电阻测温仪表、基于PN结电压随温度变化的晶体二极管、三极管和 集成电路式测温仪表、以及基于热电效应的热电偶测温仪表等。 2、非接触式测量 非接触式测量是基于物体辐射特性与温度之间的关系设计的。优点是测温范 围广、理论上无温度上限限制、测温响应快、测温过程不影响温度场分布、 能够检测运动物体温度等。缺点是所测温度与被测物体发射率等本身性质的 影响，一般需要对测量结果进行修正。 常用非接触式测温仪表有：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温 度计等。 随着测量要求的提高和传感技术的发展，在一些特殊领域中，除了传统测温 方法，还逐渐开发出一些特殊的或专用的测温技术，如石英温度计、、声学 温度计、集成温度传感器、光纤测温技术等。
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7．2．3 典型测温方法和传感器
1、金属热电阻测温 （1）测温原理及特点 热电阻温度计是利用导体电阻值随温度变化的性质测量温度的。虽然电阻温 度特性是导体半导体所具有的普遍特性，但要用作测温热电阻需要具备以下 条件：1）尽可能大而且稳定的的电阻温度系数；2）电阻随温度变化呈单值 函数关系，且线性良好；3）电阻率大，以便同样灵敏度情况下元件尺寸小； 4）具有较高的性能价格比。 热电阻的测温范围可以达到-260C900C，对大量的工业用测温来说，热电 阻性价比高，中低温区稳定性好、准确度高、灵敏度大，信号易于测量、便 于远传。但热电阻体积较大、热惯性大，不适于测量高温物体、体积狭小物 体和温度快速变化的物体，另外抗振动冲击能力差。 （2）热电阻分类 热电阻按材料分，有铂、铜、镍、铁、铑铁、铂钴合金等；按精度等级分为 标准电阻温度计和工业热电阻；按结构分为线绕型、薄膜型和厚膜型。 金属热电阻主要参数有分度号、标称电阻值、测温范围、允许偏差、电阻比 W（温度为100C和0C时的电阻值之比）、热响应时间和额定电流等。应用 热电阻测温，要根据测量要求、热电阻基本参数进行恰当选择。表7-1为几种 常用金属热电阻的分度号、测量范围。
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
（f）
（g）
（h）
（i）
图7-2 热敏电阻结构形式 （a）圆片形 （b）薄膜形 （c）杆形 （d）管形 （e）平板形 （f） 珠形 （g）扁圆形 （h）垫圈形 （i）金属帽引出的杆形
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3、热电偶测温
（1）热电偶选型 热电偶是利用金属的热电效应进行温度测量的。热电偶种类有几百种，应用 较广的几十种，分为标准化和非标准化两大类。标准化热电偶八种，分度号 分别为S、R、B、K、N、T、E、J，前三种由铂和铂铑合金制成，属于贵金 属热电偶，其余五种由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属合金制成， 属于贱金属热电偶。标准化工业热电偶在使用时按照允差分为三个等级。表7 －2、7－3分别为标准化和非标准化热电偶的主要性能。
6、检测系统的安装维护要方便。
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7．1．3 过程检测技术的分类
过程检测技术从不同的角度出发，有不同的分类方法。按传感原理可分为电 磁法、光学法、热学法、超声法、微波法等等。按敏感元件是否与被测介质 接触可分为接触式测量和非接触式测量。按获得检测结果的方法可分为直接 测量、间接测量、组合测量。按被测参数类型可分为电量：电压、电流、功 率、磁场强度等；机械量：尺寸、形状、位移、速度、加速度、力、质量、 重量、振动等；热工量：温度、压力(压差、真空度)、流量(流速、风速)、物 位（液位、料位、界面）等；物性和成分量：酸碱度、盐度、浓度、粘度、 密度、比重、粒度、纯度、离子浓度、湿度、水份等。状态量：颜色、透明 度、磨损量、裂纹，缺陷、泄漏、表面质量(光洁度、白度灰度等)等。 本章将选择部分典型的热工参数检测进行介绍。
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表7-1 金属热电阻分度及主要参数

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（3）热电阻引线方式
工业用热电阻由感温元件、引线和保护管组成。其中引线是感温元件测量 线路连接的引线，通常置于保护管内。热电阻引线对测量结果有较大影响， 常用引线方式有两线制、三线制和四线制三种。两线制在感温元件两端各引 出一根引线，这种引线简单、便宜，但引线电阻及引线电阻变化会引入附加 误差，因此适用于引线不长、测温精度要求不高的场合。三线制在感温元件 一端引出一条引线，另一端引出两条引线。这种引线可以较好地消除引线电 阻影响，测量精度有所提高，因此是工业用热电阻通常使用的引线方式，在 导线长、测温范围窄、导线所处环境温度变化较大的场合，必须使用三线制。 四线制是在感温元件两端各引出两根引线，通过其中两根引线构成校正线路， 能够完全消除引线电阻的影响。图7-1为三种引线方式及其测量电路的示意图
2、恰当选取检测方法与传感方式 随着传感技术的发展和信息技术的发展，过程参数的检测，除传统方法外， 还有许多新的手段和方法可以使用。但是先进的不一定总是可行的，需要根 据检测的条件、特点和要求，恰当选取检测方法、选择或设计合适的传感器。 这是正确实现过程参数检测的关键所在。 3、检测系统的引入，不能对被测对象的状态产生干扰。 4、检测系统要具备一定抗机械振动、电磁场、环境温度、腐蚀等各种干扰 的能力。 5、检测系统要具有良好的数据传输和处理能力，保证检测信号的信噪比满 足要求，做到无延迟、不失真。
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7．2 温度检测
7．2．1 温度和温标 1、温度 温度是国际单位制中七个基本物理量之一。温度用来表征物体的冷热程度， 从微观角度，它表征组成该物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即该物 体分子平均动能的大小。从宏观角度，温度概念建立在热平衡基础上，两个 温度不同的物体接触，温度必然从高温处向低温处传递，经过足够长时间， 最终达到温度相同，即热平衡状态。热平衡理论，以及物体的许多物理化学 性质都与温度有关这一特性，确定了温度的各种检测方法。 2、温标 温标是为温度测量的准确统一而建立起来的一个标准尺度，它给出了温度量 值化的一套规则和方法。温度计在使用前必须先经过分度，或称标定。基准 点温度值是以一些物质的相平衡点作为固定点，固定点之间的温度值则是利 用一定的函数关系来描述，称为内插函数或内插方程。通常把温度计、固定 点和内插方程称为温标三要素。 由于温度概念较为抽象，因此温标建立经历了一个较为漫长的过程。常用温 标包括：经验温标、热力学温标、理想气体温标、国际实用温标等。 国际统一的温度标准要传递到各国，各国要按照规定进行国际比对，建立本 国的国家温度基准，以此类推，全国各个地区再建立次级标准，并定期由国 家基准检定。 测温仪表按准确度可分为基准、工作基准、一定基准、二等基准以及工业用 仪表。任何等级的仪表都要定期到上一级计量部门进行鉴定，确保准确可靠。