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1.溫度測量

通常分為：接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器。

接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測物體接觸進(jìn)行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時(shí)，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。

非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進(jìn)行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。

2.熱電偶傳感器

熱電偶在溫度的測量中應(yīng)用十分廣泛。它構(gòu)造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且有較高的精確度和穩(wěn)定性。

2.1 熱電偶測溫原理

1.熱電效應(yīng)

兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩接點(diǎn)溫度不同，則在該回路中會產(chǎn)生電動(dòng)勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢稱為熱電勢。

結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號。

兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢。

普通裝配型熱電偶的外形：

（2）鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）

鎧裝熱電偶是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。這種熱電偶耐高壓、反應(yīng)時(shí)間短、堅(jiān)固耐用。

鎧裝熱電偶外形：

（3）薄膜熱電偶

用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。測溫范圍為-200~500℃。測量端既小又薄，熱容量小，響應(yīng)速度快。適用于測量微小面積上的瞬變溫度。

（4）表面熱電偶

主要用于現(xiàn)場流動(dòng)的測量，廣泛用于紡織、印染、造紙、塑料及橡膠工業(yè)；探頭有各種形狀(弓形、薄片形等)，以適應(yīng)于不同物體表面測溫用。在其把手上裝有動(dòng)圈式儀表，讀數(shù)方便。測量溫度范圍有0~250℃和0~600℃兩種。

（5）防爆熱電偶

在石油、化工、制藥工業(yè)中，生產(chǎn)現(xiàn)場有各種易然、易爆等化學(xué)氣體，這時(shí)需要采用防爆熱電偶。它采用防爆型接線盒，有足夠的內(nèi)部空間、壁厚及機(jī)械強(qiáng)度，其橡膠密封圈的熱穩(wěn)定性符合國家的防爆標(biāo)準(zhǔn)。因此，即使接線盒內(nèi)部爆炸性混合氣體發(fā)生爆炸時(shí)，其壓力也不會破壞接線盒，其產(chǎn)生的熱能不能向外擴(kuò)散傳爆，可達(dá)到可靠的防爆效果。

2.熱電偶組成材料及分度表

為了準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行溫度測量，必須對熱電偶組成材料嚴(yán)格選擇。

目前工業(yè)上常用的四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶材料為：

鉑銠30-鉑銠6、鉑銠10-鉑、鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻－康銅）。

組成熱電偶的兩種材料寫在前面的為正極，后面的為負(fù)極。

熱電偶的熱電動(dòng)勢與溫度之關(guān)系表，稱之為分度表。

八種國際通用熱電偶：

B：鉑銠30—鉑銠6、R：鉑銠13—鉑、S：鉑銠10—鉑、K：鎳鉻—鎳硅、N：鎳鉻硅—鎳硅、E：鎳鉻—銅鎳、J：鐵—銅鎳、T：銅—銅鎳。

幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢：

3.熱電阻式傳感器

金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。

金屬熱電阻的主要材料是鉑和銅。

熱電阻廣泛用來測量-220～+850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K（-272℃），高溫可測量至1000℃。

3.1 常用熱電阻

金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。

金屬熱電阻的主要材料是鉑和銅。

熱電阻廣泛用來測量-220～+850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K（-272℃），高溫可測量至1000℃。

1.鉑熱電阻的電阻—溫度特性

鉑電阻的特點(diǎn)是測溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。鉑電阻的應(yīng)用范圍為-200～+850℃。

鉑電阻的電阻—溫度特性方程，在 -200～0℃的溫度范圍內(nèi)為：

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0～+850℃的溫度范圍內(nèi)為：Rt=R0(1+At+Bt2)

易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻：

熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號：

3.3 熱敏電阻

半導(dǎo)體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導(dǎo)體測溫元件。

熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、硅等材料，按特定工藝制成的感溫元件。熱敏電阻可分為三種類型，即：

正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻；負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻。

在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。

熱敏電阻的應(yīng)用：PTC突變型熱敏電阻主要用作溫度開關(guān)，PTC緩變型熱敏電阻主要用于在較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償或溫度測量。

CTR熱敏電阻主要用作溫度開關(guān)。

1.溫度測量

用于測量溫度的熱敏電阻一般結(jié)構(gòu)較簡單，價(jià)格較低廉。沒有外面保護(hù)層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方；密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕，可以用在較惡劣的環(huán)境下。由于熱敏電阻的阻值較大，故其連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻可以忽略，使用時(shí)采用二線制即可。

2.溫度補(bǔ)償

熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對某些元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。例如，動(dòng)圈式儀表表頭中的動(dòng)圈由銅線繞成，溫度升高，其電阻值增大，引起測量誤差，為此可在動(dòng)圈回路中串入由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而抵消由于溫度引起的誤差。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償元件串聯(lián)。

如何選擇正確的溫度傳感器：

有許多不同類型的傳感器可用于溫度測量。最常見的三種溫度傳感器是電阻溫度檢測器（RTD）、熱電偶（TC）和熱敏電阻。它們具有的特定工作參數(shù)會使其更適于某些應(yīng)用。固態(tài)傳感器也可用于中等溫度范圍應(yīng)用，并且具有內(nèi)建信號調(diào)理和容易連接的優(yōu)點(diǎn)——在某些情況下帶直接數(shù)字串行接口。

熱電偶

到目前為止，最常用的溫度傳感器是熱電偶或TC。主要原因是熱電偶成本低，極其耐用，能遠(yuǎn)距離工作，自行供電，并且熱電偶的類型較多能覆蓋較寬的溫度范圍。低成本在許多應(yīng)用中都很有說服力。堅(jiān)固耐用意味著它們能在許多不同的工作環(huán)境（包括室外和嚴(yán)酷的工廠環(huán)境）中持續(xù)地工作。提供帶金屬屏蔽的TC有助于在嚴(yán)酷的或腐蝕性的環(huán)境中保護(hù)TC，或者TC在導(dǎo)管中工作。不同的合金可以實(shí)現(xiàn)不同的量程和測量靈敏度。一些常見TC的類型包括J、K、T、E、R、S、B和N，這指的是TC的構(gòu)建材料類型（如表1中所示）。J、K和T型是最常見的并且以卷軸和預(yù)制的形式提供。您可以在NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，網(wǎng)址是：www.nist.gov）的參考表中找到全部熱電偶類型的量程。

熱電偶的一個(gè)重要特點(diǎn)是非線性；也就是說，熱電偶的輸出電壓與溫度是非線性的。因此，為了將輸出電壓準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為溫度需要數(shù)學(xué)線性化。

熱電偶是由一端兩種不同的合金接合（焊接或絞合）并且另一端開路構(gòu)成的。它們的工作原理是熱電效應(yīng)并且可以認(rèn)為當(dāng)兩種不同金屬之間存在熱量差（也稱為塞貝克效應(yīng)）時(shí)，這兩種金屬的結(jié)就產(chǎn)生一個(gè)電壓。

開路端或輸出端的電壓信號是閉合端溫度的函數(shù)。隨著溫度升高，電壓信號也隨之上升。

常見錯(cuò)誤

避免設(shè)置和使用熱電偶的一些常見錯(cuò)誤可以獲得更好的測量結(jié)果。一個(gè)常見問題是CJC沒有正確地或者根本沒有配置或補(bǔ)償。這會導(dǎo)致溫度測量的不準(zhǔn)確或非線性。

另一個(gè)錯(cuò)誤是使用銅線連接熱電偶和測量器件。通常，測量器件（電壓表、DMM等）具有銅輸入端子。使用另一種合金（錫、鋁等）實(shí)質(zhì)上在測量中引入了另一個(gè)熱電偶。這是因?yàn)槿魏尾煌饘俚慕Y(jié)形成熱電偶。在測量設(shè)備方面，使用電壓表的靈敏度和準(zhǔn)確度不一定足夠用于熱電偶測量。為避免這個(gè)問題，務(wù)必要讓電壓表具有足夠的靈敏度和準(zhǔn)確度用于熱電偶的低壓信號（微伏至毫伏）。進(jìn)行正確的屏蔽也能防止所有外部噪聲。用導(dǎo)電屏蔽環(huán)繞感測電路并將屏蔽連至電路或測量LO以實(shí)現(xiàn)最大效果。

RTD

一種最準(zhǔn)確的溫度傳感器是電阻溫度檢測器或RTD。在RTD中，器件電阻與溫度成比例。RTD最常見的材料是鉑，其中某些RTD用其它金屬（例如鎳和銅）制成。

RTD溫度測量量程較寬。取決于RTD是如何構(gòu)建的，RTD能測量–270℃～+850℃范圍的溫度。RTD需要外部激勵(lì)（通常是電流源）才能正常工作。然而，阻性元件中電流產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致溫度測量的誤差。測量誤差用下面的公式計(jì)算：

△T=P×S

其中，T是溫度，P是產(chǎn)生的I平方功率，并且S是攝氏度/毫瓦。

使用RTD測量溫度有許多種方法。首先是2線法。這種方法施加電流至RTD并測量產(chǎn)生的電壓。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，只需要使用2條測試線，因而容易連接和實(shí)現(xiàn)。主要的缺點(diǎn)是測試線電阻是測量的一部分，這會引入一些測量誤差。

2線法的改進(jìn)是3線法。同樣地，輸入電流至器件并測量產(chǎn)生的電壓。然而，3線法提供了測試線電阻補(bǔ)償。這需要3線測量補(bǔ)償單元或?qū)嶋H測量第3條線的貢獻(xiàn)再從測量總結(jié)果中減去它。

第3種方法是4線法，這常見于基準(zhǔn)傳感器的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。類似于其它兩種方法，輸入電流至RTD并測量產(chǎn)生的電壓。但是，電流輸出到一對測試線中，并且電壓在另一對線上測量。這種方法能完全補(bǔ)償測試線電阻。

電壓在阻性元件上測量，不是在輸出電流的同一點(diǎn)上測量，這意味著測試線電阻完全在測量通路之外。換句話說，測試線電阻不是實(shí)際電壓測量的一部分。例如，考慮測試線電阻約為0.2Ω并且RTD具有100Ω電阻。在這個(gè)例子中，測試線電阻約為測試電路總電阻的0.2%。使用4線法，測試線電阻不是測量電路的一部分，因此僅測量RTD的電阻。這消除了0.2%的測量誤差從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測量。

當(dāng)使用RTD時(shí)，許多常見現(xiàn)象經(jīng)常沒有考慮，最重要的是自發(fā)熱。測試電流流過RTD產(chǎn)生的自發(fā)熱會產(chǎn)生測量誤差。如果測量低溫（低于0℃），RTD產(chǎn)生的熱量會使預(yù)期的溫度降低。而且，如果沒有補(bǔ)償測試線，測量中會引入更多的誤差。使用4線法有助于消除這種類型的誤差。另一個(gè)常見錯(cuò)誤是沒有選擇合適的RTD溫度量程。嘗試測量RTD溫度量程之外的溫度會導(dǎo)致更大誤差甚至損壞傳感器。

熱敏電阻：

另一種常見的溫度傳感器是熱敏電阻。像RTD一樣，熱敏電阻的電阻值會隨著溫度變化而變化。熱敏電阻的靈敏度比RTD高，這意味著熱敏電阻隨溫度變化產(chǎn)生的電阻值變化量要比RTD的多得多。

大多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，這意味著電阻值隨著溫度升高而降低。而且，熱敏電阻比RTD的線性度低并需要校準(zhǔn)因子。Steinhart-Hart方程描述了熱敏電阻的電阻隨溫度的變化，并有助于估計(jì)單個(gè)熱敏電阻曲線。（計(jì)算該曲線的一個(gè)很好的例子可以在這里下載http://www.reedelectronics.com/tmworld/software/stinhart.zip。）

此方程是：1/T=A+B×(lnR)+C×(lnR)2 其中：

T是絕對溫度；R是熱敏電阻的電阻值；

A、B和C是通過校準(zhǔn)過程確定的曲線擬合常數(shù)，

In是自然對數(shù)函數(shù)（以e為底的對數(shù)）

常見錯(cuò)誤

不考慮自發(fā)熱并且選擇溫度量程不夠的器件是使用熱敏電阻的常見錯(cuò)誤。然而，有一些方法能降低自發(fā)熱。典型的測試電流是恒定的直流電流。使用脈沖直流電流有助于降低自發(fā)熱效應(yīng)，因?yàn)殡娏鲀H施加到測量周期的較短部分，因此降低了熱敏電阻產(chǎn)生的總功率。

另一個(gè)常見錯(cuò)誤是測量的溫度在熱敏電阻量程之外。一定要考慮測量溫度的范圍。請記住，熱敏電阻的溫度量程約為幾百攝氏度。一些制造商甚至警告即便在工作極限以下延長暴露會導(dǎo)致熱敏電阻漂移至容限外。

測量溫度時(shí)有許多種傳感器供選擇。熱電偶、RTD和熱敏電阻是當(dāng)今最常見的三種傳感器。（表2提供了三種傳感器類型的比較。）熱電偶是最廣泛使用的傳感器。它們具有最寬的測量范圍并用于火焰溫度、氣爐/電爐和加熱系統(tǒng)。熱敏電阻主要用于人類環(huán)境溫度（0℃~30℃），例如冰箱和恒溫箱，但是RTD最準(zhǔn)確并被廣泛用于校準(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。每種傳感器都有優(yōu)、缺點(diǎn)。選擇合適的傳感器對于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的溫度測量非常重要。

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