第2章_温度检测(上)

2.2 膨胀式温度计
膨胀式温度计分为液体膨胀式温度计和 固体膨胀式温度计两大类。 • 2.2.1 双金属温度计 双金属温度计的特点:抗震性能好，结构 简单，牢固可靠，读数方便，但它的精度不高， 测量范围也不大。
2.2 膨胀式温度计
Bimetallic thermometer
2.2 膨胀式温度计
体温表：（动画）
温控电路：
~220V
Rt
被控温度可调。
大功率加热用晶闸管（可控硅）或三相加热。
图8-27
在实践中，若精度要求不高，为降低成本、减小体积及 减轻重量，常采用简易直流电源!简易直流电源的具体 形式可根据需要而定。 退出
热敏电阻自动控温仪电路图
2.4 热电偶传感器
热电偶作为敏感元件的主要优点： ①结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或 半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。 ②有较高的准确度 。 ③测量范围宽：常用的热电偶可测-50℃~1600℃；用 特殊材料的热电极，可测-180℃~2800℃。 ④有良好的敏感度。
Realizations of bimetallic thermometers
2.2 膨胀式温度计
电烤箱和电火锅上的温度调节与控制：
• 2.2.2 压力式温度计
2.2 膨胀式温度计
一、压力式温度计的结构与原理
二、充气体的压力温度计:气体状态方程式pV=mRT表 明，在密封容器内充以气体，就构成充气体的压力温 度计。 三、充蒸汽的压力温度计:充蒸汽的压力温度计是根据 低沸点液体的饱和蒸气压只和气液分界面的温度有关 这一原理制成。
可简化热电偶的 选配！
连接导体定律:
在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线 A′、B′相连接，结点温度分别为T、Tn、T0 ，那么 回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn ) 与连 接导线A′、B′在温度Tn、T0 时热电势
2 3
• 工业标准：50/100Ω；Cu50/Cu100
• 分度表及其应用
R100 ~ 1.425 R0
铜电阻分度表：
分度号：Cu50， R0
温度 /℃
0 10 20
50
30 40 50 60 70 80 90
电阻/Ω
－0
50.00
47.85
45.70
43.55
41.40
39.24
0
50.00
两种导体的接触电势：
测量端结点的接触电势为
kT N A EAB (T ) ln e NB
式中 k—波尔兹曼常数，1.380×10-23J· K-1 T —接触处的绝对温度 e —电子电荷数，1.602×10-19C NA、NB —热电极A、B的自由电子密度
参考端结点的接触电势为
kT0 N A EAB (T0 ) ln e NB
图8-8 具有中间导体的热电偶电路
标准电极定律:
如果将导体C(热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极 (也称参考电极)，并已知标准电极与任意导体配对 时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两 导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得： EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)
并联补偿电阻
它线性化电路
图8-24 并联补偿电阻
图8-25 其它线性化电路
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五、热敏电阻的应用
1、温度测量（点温计，体温表） 2、温度补偿 3、温度控制（举例） 4、过热保护
点温计：
利用热敏电阻对温度变化 的高度敏感性能，可以制成测 量点温、反应迅速的点温计。 点温计不仅可以用来测量一般 的气体、液体或固体的温度， 而且还适宜于测量微小物体或 物体局部的温度。例如，测量 运行中电机轴承的温度、晶体 管外管的温升、植物叶片温度、 人体内血液的温度等。 S1、S2均为同轴联动开关， S1选择“断开、校准、测量”， S2选择“量程”。R5、R6、 RW作用？
52.14
45.28
56.42
58.56
60.70
62.84
64.98
67.12
69.26
100
71.40
73.54
75.68
77.83
79.98
82.13
铂 电 阻 传 感 器 实 物
铂电阻传感器实物（续）
耐磨、防腐热电阻传感器实物：
装配式热电阻传感器实物：
软导线式热电阻传感器实物：
三线制（热电 阻的一端引出 一根线，另一 端引出两根 线）。见后！
三类热敏电阻的特性：
PTC、NTC系列热敏电阻实物：
恒温加热
彩电消磁
超大功率型 电机延时启动
NTC
二、热敏电阻的主要参数 三、热敏电阻的特点 优点：灵敏度高（温度系数较热电阻的大得 多）、体积小、热贯性小、结构简单、化学稳 定性好、机械性能强、价格低廉、寿命长。 缺点：复现性和互换性差、非线性严重、测温 范围较窄、目前只能达到-50～300℃。 四、热敏电阻特性线性化 串联补偿电阻
一、 铂电阻
• 精度高，稳定性好，性能可靠。主要用作标准电阻 温度计，也常用于工业测量。铂电阻的优缺点？
2 R R ( 1 A t B t ) • 0~850℃： t 0
• -200~0 ℃： Rt R0[1 A t Bt C(t 100) ]
2 3
• 工业标准：50/100/1000Ω；Pt50/Pt100/Pt1000
EAB (T , T0 ) (T T0 ) T
2.4.2 热电偶的基本定律
中间导体定律
标准电极定律
连接导体定律
中间温度定律
中间导体定律:
在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同， 那么接入中间导体后，对热电偶回路的热电势无影 响，即
EABC(T,T0)=EAB(T,T0)
可接入仪表、降低焊接要求！
• 分度表及其应用
R100 ~ 1.391 R0
铂电阻分度表：
注：手册上温度步长为1℃。必要时可插值。后同！
二、铜电阻
• 铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比 较小(-50～+150℃)的情况下，可采用铜制成 的测温电阻，称铜电阻。铜电阻的优缺点？
Rt R0 (1 A t Bt C t )
温度变送器
2.1 温标及测温方法
• 2.1.1 温标 • 经验温标:①摄氏温标，②华氏温标，③列氏 温标。换算关系为 C=(5/9)×(F-32)=(5/4)R • 热力学温标:又称为开尔文温标，用符号K表示。 换算关系为 K=273.15+C • 国际实用温标
2.1 温标及测温方法
• 2.1.2 温度检测的主要方法及分类 温度检测方法一般可以分为两大类，即接触 测量法和非接触测量法。常用的测温方法、类 型及特点如表2.1.1所示。
⑤使用方便。
热电效应
热电偶基本定律 热电偶材料及常用热电偶 热电偶冷端温度补偿 热电偶测温电路
2.4.1 热电效应
如图，由两段不同的匀质导体A、B组合，能将温度 信号转换成电势（或电流）信号的温度传感器称为热电 偶。热电偶测温原理是热电效应。 图 8-4 热电效应示意图 热电效应也称为塞贝克效应。热电势也称为温差电 势或塞贝克电势。回路中产生的电流称为热电流。导体 A、B称为热电极。测温时，结点1置于测温点，称为测 量端(工作端、热端)；结点2通常保持某一恒定温度， 称为参考端(自由端、冷端)。
2.3 电阻式温度传感器
四 、热电阻传感器的测量电路 1、三线制（为何采用三线制？）
(条件？优点？)
2.3 电阻式温度传感器
1、三线制
(条件？优点？)
2.3 电阻式温度传感器
2、四线制（为何采用四线制？）
(条件？优点？)
2.3.2 热敏电阻传感器
热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件， 其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温 度的变化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料 很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一 定比例混合后压制成型，然后在高温下焙烧而成。 热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简 单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点，因此 得到较为广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和 控制中。
测低温和超低温的热电阻:
2004年12月， 中国科学院 电工研究所 与甘肃长通 电缆公司等 合作研制成 功75m、10.5 KV／1500A 交流高温超 导电缆，并 接入到甘肃 长通电缆公 司6KV配电网 中向车间供 电运行。
超导材料进展
测低温和超低温的热电阻:
• 铂电阻和铜电阻不适合测低温和超低温。 • 铟电阻：300~4.2K，4.2~15K灵敏度比铂电 阻高10倍。材料软，复制性差。 • 锰电阻：63~2K，灵敏度高。材料脆，难拉 丝。 • 碳电阻：液氦温区，廉价，对磁场不敏感。 热稳定性差。
T
EAB (T , T0 ) ( A B ) d T
T0
热电偶的热电势为接触电势与温差电势之和（后 者相对较小），即
k NA EAB (T , T0 ) (T T0 ) ln ( A B ) d T e N B T0
T
①若两热电极材料相同，即使两结点温度不同 (T≠T0)， 热电势也为零。所以，两个热电极必须选用不同材料。 ②若两结点温度相同，则热电势也为零。 ③热电势的大小只与热电极材料性质和结点温度有关， 与热电极的尺寸、形状及沿热电极温度分布无关。注 意：若热电极不是匀质的，则沿热电极的温度梯度会 引起附加电势。 ④给定热电偶， ，测温原理？
三、铁电阻和镍电阻
• 这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较 大，故可做成体积小，灵敏度高的电阻温度 计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不 易提纯，复制性差，且电阻值与温度的关系 线性差。
比较线性和灵敏 度（电阻的相对 变化率）！
t /℃
四种金属电阻温度特性比较
测低温和超低温的热电阻:
• 国际制冷学会:T>120K为冷冻温区; 120K>T>0.3K 为低温区; T<0.3K为超低温区。 • 常压下，液氦沸点4.2K，液氮沸点77.3K。 • H. K. Onnes，1911，Hg，略低于4.2K，电阻突然 消失。后来发现很多其他材料也有类似现象。 • 一些材料在某一低温下电阻消失的现象称为超导 （superconducting）现象，相应的温度称为该超 导材料的临界温度Tc。 • 超导材料有重要而广泛的用途，研究热点。 • Tc<30K，液氦条件下工作（昂贵、复杂），称为低 温超导材料。重点研究高温超导材料（1986年到液 氮温区）。
第2章 温度检测
• • • • • • • • 温标及测温方法 膨胀式温度计 电阻式温度传感器 热电偶传感器 辐射式温度传感器 光纤传感器 薄膜热传感器 集成温度传感器
第2章 温度检测
温度是表征物体或系统的冷 热程度的物理量。温度单位是国 际单位制中七个基本单位之一。 本章在简单介绍温标及测温方法 的基础上，重点介绍膨胀式温度 测量、电阻式温度传感与测试、 热电偶温度计、辐射式温度计、 光导纤维温度计、集成温度传感 技术等测温原理及方法。
2.3 电阻式温度传感器
热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随 温度的变化而变化的原理制成的，可将温度的变化转化 为电阻的变化。由金属（铂、铜、镍等）材料制成的称 为热电阻；由半导体材料制成的称为热敏电阻。
2.3.1 热电阻传感器
测温基础：多数金属的电阻率随温度升高而增大， 具有正的温度系数。 特点: 精度高，适宜于测低温。 对金属材料要求：电阻温度系数大，电阻率大，热 容量小；在测温范围内有稳定的物理和化学性质；电 阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线； 容易加工，复制性好，价格便宜。
热电偶中的接触电势为二者的代数和，即
k NA EAB (T ) EAB (T0 ) (T T0 ) ln e NB
单一导体的温差电势：
热电极A的温差电势为
EA (T , T0 ) A d T
T0
T
式中A—热电极A的汤姆逊系数。 同理，可得热电极B的温差电势。 热电偶中的温差电势为二者的代数和，即
一、热敏电阻的分类
• 正温度系数/PTC (positive temperature coefficient)。用于彩电消磁、电器热保护、 发热源的恒温控制、限流等。 • 负温度系数/NTC (negative temperature coefficient) 。用于测温、温度补偿等。一般 不能并联使用！ • 临界温度系数/CTR (critical temperature risistor) （在某一特定温度下电阻值发生突 变）。用作温度开关。