压力式温度传感器的原理及应用

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1 压力式温度传感器的原理及应用

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压力式温度传感器属于膨胀式测温仪器类，但它不是靠物质受热膨胀后的体积变化或尺寸变化反应温度，而是靠在密闭容器中液态或气态物质受热后压力的升高反应被测温度。这种温度计的指示仪表实际上就是普通压力表，这种传感器的输出信号输出方式和压力传感器一样。

原理：

压力式温度计主要由温包,毛细管和压力敏感元件（如弹簧夹，膜盒，波纹盒等）组成。如图1所示。温包，毛细管和弹簧夹三者之间的内腔共同构成一个密封容器，其中充满工作物质。当温包受热后，将内部工作物质温度升高，压力增大，此压力经毛细管传到弹簧管内，使弹簧管产生形变，并由传动系统带动指针，指出相应的温度数。

图1 压力式温度计

材料要求：

温包：

温包直接与被测物质接触，把温度变化充分地传递给内部物质。故，其材料应具有防腐蚀能力，并有良好的导热率。为了提高灵敏度，温包本身的受热膨胀应远远小于其内部工作物质的膨胀，故材料的体膨胀系数要小。此外，还应有足够的机器强度，以便在较薄的容器壁上承受较大的内外压力差。通常用不锈钢或黄铜制造温包，黄铜只能用在非腐蚀性介质里。

为了利于传热，温包表面面积与其体积的比值应尽量大，所以通常呈细而长的圆筒形，虽然扁平断面要比元断面更利于传热，但耐压能力远不如园断面好。

毛细管:

毛细管用于传递压力，为了减少周围环境温度变化引起的附加误差，毛细管的容积应远小于温包的体积，但同时又要求传递距离较远，这就要求其内径小。当然，内径太小将使阻力变大，之后时间长。通常铜或不锈钢冷拉无缝管，内径为0.4mm，长度常在20m~60m自动化（专业）概论小论文

2 之间。

其次，为了保护毛细管不受机器损伤，其外层有金属丝网或蛇皮管。

内部工作物质：

气体：

压力式温度计内部工作物质若采用气体，则通常选用氮气，因其化学稳定性好，比热容小，粘性小兵器容易获得。这种工作物质可用在自-100摄氏度到500摄氏度的范围正常工作。

液体：

若工作物质为液体，且在测量范围内始终保持液态，则温包体积可以比空气体积小。也就是说，容积不变时液体受热膨胀产生的压力变化比空气更明显。温包尺寸小，热惯性就小，对被测介质的温度分布也将减少影响。

适于用作工作物质的液体有二甲苯（—40摄氏度到200摄氏度）、甲醇（用于—40摄氏度到175摄氏度）、甘油（用于20摄氏度到175摄氏度）。由于水银腐蚀性、污染和液柱高度差引起的误差大等原因，故现在已经不在采用水银作工作物质。

如果用低沸点液体作工作物质，且不完全充满，只占温饱容积的一半，其余空间及毛细管和弹簧管里是所充液体的饱和蒸气，则成为另一种压力式温度计。其特点是：热惯性比充气式和充液式都要小；周围环境温度对度数几乎没影响，可以不用补偿措施；刻度是非均匀的，即温度和压力之间有非线性关系。

低沸点液体常用氯甲烷（用于—20摄氏度到100摄氏度）、氯乙烷（用于20摄氏度到120摄氏度）、二乙醚（用于0摄氏度到150摄氏度）、丙酮（用于50摄氏度到200摄氏度）。

误差分析：

若内部工作物质采用气体,环境温度对毛细管和弹簧管内部气体总有影响。为减小这一因素引起的误差，除了尽量加大温饱容积之外，往往设计一些补偿措施，例如在指示表里用双金属片进行零点补偿；在毛细管里插入热膨胀系数比管壁材料还小的金属芯，使环形空隙里德工作物质的体积膨胀和其环行空间的容积膨胀相等。这类措施对减小环境温度误差都有一定作用，但会使机构稍微复杂一些。

同时，环境压力的变化同样会引起弹簧管内外压力差的改变，从而对指数值形成误差。为了减少大气压力引起的误差，也常用提高工作物质气体初始压力Po的办法，一般Po=19.614*106^5Pa（即20kgf/cm^2）。正因为如此，制造温包的金属材料必须有一定的机器强度。在初始压力提高以后，周围环境大气压力的变化所引起的相对影响就可以忽略不计。但长期使用后如有渗漏必然引起误差，应注意定期校验。

若内部工作物质采用液体，虽然二甲苯、甲醇、甘油的密度比水银小很多，但比气体仍然大很多，所以当指示表和温包不在同一高度时，液柱重力会带来不容忽视的误差，这边是充液式不如充气式之处。

环境大气压力的变化，对冲低沸点液体方式温度计有显著影响。安装高度差的影响大小视具体情况而定，如测量范围低于环境温度，温包安装位置比指示表低，且只有温包下半部分为液体，毛细管和弹簧管里皆为气态物质，则不受液柱重力影响。其他情况下，毛细管里有出现液柱单位可能，就会使读数于安装高度之差有关。

压力式温度传感器的应用： 自动化（专业）概论小论文

3 1、压力温度计：

压力式温度计的精确度等级一般有1级、1.5级、2.5级。

压力式温度计由于其简单价廉，有一定的抗震动能力，不需要电源，可将指示表安装在一定距离外；又具有安全防爆的优点，常用在露天设备和交通工具上。例如大型变压器的油温指示、车船坦克的动力机器温度指示等。

压力式温度计的原理本身就包含传感器和指示器，其间由毛细管相连。温包就是传感器，但它是专用的，并且在制造时就和指示仪表用毛细管连成一套，使用中不许拆开。如果毛细管太长，只能盘绕起来使用。

也可以使压力式温度计带有接电点，像普通位式作用传感器那样在某个温度下发出开关信号，可选择带电接点的品种，它在压力表上附加有可调切换值的电接点，其余部分完全和纯指示的压力表一样。如果希望有连续作用传感器的功能，把被测温度转变为电量传送到更远的地方，则可选用带电远传的压力表（如电阻、电感、霍尔电势等电远传方法）作为指示表。

2、汽车发动机冷却水温度的控制：

某些场合下，利用压力式温度传感器直接控制温度，不必要进行仪表显示，结构就可以简单一些。例如，汽车发动机的冷却水温度宜保持在70℃～85℃之间，温度过高润滑油变稀，容易磨损机件，温度过低，润滑油粘稠，功率耗损增大，将使燃料耗量增加。为了自动控制水温，在发动机冷却水套的出口处装上如图2压力温度传感器。

水温过高时，金属波纹管里的乙醚或丙酮汽化，压力增大，使波纹管伸长，于是通向散热器的缝隙增大，使热水经过散热区器靠风扇冷却后流回水套。水温过低时，波纹管理的低沸点物质凝结，有会使波纹管缩短，把流经旁路管的缝隙开大，水便不经散热器直接回到水套。当然，同样原理也可以用在供暖系统中，在家用暖气片的管路上安装类似装置，就可

图2 汽车发动机冷却水温度控制

以根据室温自动将供热管的阀门开到合适的位置，起调节室温的作用。

3、电冰箱的温度控制： 自动化（专业）概论小论文

4 在位式作用方面，压力式温度传感器的使用实例是电冰箱的温度控制。电冰箱的压缩机是间歇方式工作的，每当冰箱内温度上升到上切换值，电路接通，压缩机启动制冷。待温度下降到下切换值后，电路断开，压缩机停止。这种通断控制便是由压力式传感器担任的，其原理如图3所示。

在温包、毛细管和弹性膜盒中充有低沸点液体氟利昂。在此采用氟利昂作为工作物质而不是用其他低沸点液体，是因为它无毒，万一泄露也不污染食品。

温度升高后，氟利昂气化产生的压力作用于膜盒，再由膜盒经杠杆推动电接点，使之接通制冷压缩机的电路。温度下降则相反，会使接点断开。调节温度的旋钮能改变凸轮转角，从而改变电接点的接触压力，这就使其断开时所对应的温度值有所不同，从而使冰箱的平均温度得到调整。

图3 电冰箱的温度控制

4、石蜡式温度传感器：

在温度自动控制系统中，还广泛使用石蜡式温度传感器，它是由内部充有石蜡的感温盒和转换单元组成。船舶用于控制柴油机冷却水或滑油温度的传感器就是石蜡式。图4所示WALTON型恒温阀的结构原理图，它是由阀体、传动机构、滑板和感温盒组成。感温盒内部充有石蜡作为感温介质。其动作原理是利用石蜡的体积随温度变化的性质，用体积膨胀的作用力来推动执行机构，改变滑板的位置来控制冷却水的温度。

图4 WALTON型恒温阀机构原理图

1—感温盒； 2—活塞及活塞杆； 3—弹簧； 4—转轴；

5—滑板； 6—阀体； 7—轴； 8—连杆； 9—拖板； 10—活动支点

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5 若冷却水温度升高，石蜡从固体变为液体，这时石蜡体积膨胀，感温盒1内的活塞2下移，在经活塞杆、连杆8及连杆8与滑板5相连接点10，使滑板5绕轴7逆时针旋转一个角度，减少旁通水量，增加经过冷却器的水量，从而使冷却水温度降下来。随着感温盒内活塞的下移，弹簧3被压缩，当感温盒中石蜡因感温体积膨胀产生向下的力与弹簧3向上的张力相平衡时，滑板5停止运动。当冷却水温度降低时，其运动方向正好相反。

该调节阀温度给定值的调整，可通过调整滑板5的初始位置来实现。在实物中，感温盒1、拖板9和轴7时紧固在一起的，轴4伸出前端盖并装有一个指针，指针转动可改变滑板5初始位置。恒温阀手动控制温度时，也是通过转动轴7改变滑板位置来实现的。

5、压力式温度变送器：

利用受热膨胀原理构成的温度指示仪表和温度传感器虽然不少，但输出标准信号的温度变送器并不多，只有气动仪表类中的压力式温度变送器，是按照受热膨胀原理工作的。这种温度变送器根本不需要导线和电源，在易燃易爆的危险场所使用有独特的优势性。尽管当前本安型电动温度变送器仍然受到欢迎，特别是具有气源的用户。

气动压力式温度变送器，本质上是压力式温度计与气动压力变送器结合而成的仪表。只不过把图1压力温度计中的指示表去掉指针标尺，利用弹簧管在压力作用下所产生的力施加在压力变送器的杠杆上，然后由喷嘴挡板、气动功率放大器、反馈波纹管等部件构成的力矩平衡系统，输出与杠杆上所受的力成正比的标准气压信号，这个气压信号的范围是（0.2～1）*10^5Pa,其压力值间接地反映被测温度值。

气动压力式温度变送器的原理性结构如图5.图中的温包、毛细管部分和前述压力式温度计一样。

图5 气动压力温度变送器

这种变送器的信号传送距离不受毛细管长度的影响，而且标准气压信号可以接任何气动仪表。在零点迁移和量程调整方面，比单用压力温度计方便得多。这种温度变送器、温包、毛细管是成套制造和使用的，其精确度可达1级。

参考文献：

【1】作者：刘灿辉 《实用传感器》 国防工业出版社