温度检测的基本知识要点

第七章 温度的检测

测量温度的传感器品种繁多，所依据的工作原理也各不相同。热电偶传感器（Thermocouple Temperature Transducer）是众多测温传感器中，已形成系列化、标准化的一种，它能将温度信号转换成电动势。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。

热电偶测温的主要优点有：

1.它属于自发电型传感器，因此测量时可以不要外加电源，可直接驱动动圈式仪表。

2.结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要选择。

3.测温范围广，高温热电偶可达1800℃以上，低温热电偶可达-260℃。

4.测量精度较高，各温区中的误差均符合国际计量委员会的标准。

本章首先介绍温度测量的基本概念，然后分析热电偶的工作原理、分类，并介绍其使用 方法。

7.1 温度测量的基本概念

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需 要测量和控制的重要物理量，是国际单位制

七个基本量之一（见附录 B）。这里将系统地介绍有关温度、温标、测温方法等一些基本知识。

7.1.1 温度的基本概念

温度是表征物体冷热程度的物理量。温度概念是以热平衡为基础的。如果两个相接触的 物体温度不相同，它们之间就会产生热交换，热量将从温度高的物体向温度低的物体传递，直到两个物体达到相同的温度为止。

温度的微观概念是：温度标志着物质内部大量分子的无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

7.1.2 温标

温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

1.摄氏温标（℃）

摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度（0℃），把水的沸点定为100度（100℃）。在这两固定点间划分一百等分，每一等分为摄氏一度，符号为ｔ。

2.华氏温标（F）

它规定在标准大气压下，冰的熔点为32Ｆ，水的沸点为212Ｆ，两固定点间划分180个 等分，每一等分为华氏一度，符号为。它

与摄氏温标的关系式为

)32/8.1(/CtF （7-1）

例如，20℃时的华氏温度＝（1.8×20+32）Ｆ=68Ｆ。西方国家在日常生活中普遍使

用华氏温标。

3.热力学温标（Ｋ）

热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是Ｔ，其单位是开尔文（Ｋ）。

热力学温标规定分子运动停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度，水的三相点（气、液、固三态同时存在且进人平衡状态时的温度）的温度为273.16Ｋ，把从绝对零度到水的三相点之间的温度均匀分为273.16格，每格为1Ｋ。

由于以前曾规定冰点的温度为２７３．１５Ｋ，所以现在沿用这个规定，用下式进行Ｋ氏和摄氏的换算：

15.273//15.273//CtKTKTCt （7-2）

例如，100℃时的热力学温度Ｔ＝（100＋273.15）Ｋ＝373.15Ｋ。

热力学温标是纯理论的，人们无法得到开氏零度，因此不能直接根据它的定义来测量物体的热力学温度（又称开氏温度）。 因此需要建立一种实用的温标作为测量温度的标准，这就是国际实用温标。

4.1990国际温标（ITS—90）

国际计量委员会在1968年建立了一种国际协议性温标，即IPTS

—68温标。这种温标与热力学温标基本吻合，其差值符合规定的范围，而且复现性（在全世界用相同的方法，可以得到相同的温度值）好，所规定的标准仪器使用方便、容易制造。

在IPTS—68温标的基础上，根据第18届国际计量大会的决议，从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS—90。

ITS—90定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式。

例如，规定了氢的三相点为13.8033Ｋ、氖的三相点为24.5561Ｋ、氧的三相点为54.3584Ｋ、氯的三相点为83.8058Ｋ、汞的三相点为234.3156Ｋ、水的三相点为273.16Ｋ（0.01℃）等。

以下的固定点用摄氏温度（℃）来表示：镜的三相点为29.7646℃、锡的凝固点为23.928℃、锌的凝固点为419.527℃、铝的凝固点为660.323℃、银的凝固点为961.78℃、金的凝固点为1064.18℃、铜的凝固点为1084.62℃，这里就不—一列举了。

ITS—90规定了不同温度段的标准测量仪器。例如在极低温度范围，用气体体积热膨胀温度计来定义和测量；在氢的三相点和银的凝固点之间，用铂电阻温度计来定义和测量；而在银凝固点以上用光学辐射温度计来定义和测量等。

7.1.3 温度测量及传感器分类

常用的各种材料和元器件的性能大都会随着温度的变化而变化，

具有一定的温度效应。其中一些稳定性好、温度灵敏度高、能批量生产的材料就可以作为温度传感器。

温度传感器的分类方法很多。按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分有自发电型、非电测型等。总之，温度测量的方法很多，而且直到今天，人们仍在不断地研究性能更好的温度传感器。我们可以根据成本、精度、测温范围及被测对象的不同，选择不同的温度传感器。表7—1列出了常用测温传感器的工作原理、名称、测温范围和特点。

表7-1温度传感器的种类及特点

所利用的物理现象 传感器类型 测温范围∕℃ 特点

体积

热膨胀 气体温度计

液体温度计

玻璃水银温度计

双金属片温度计 —250～1000

—200～350

—50～350

—50～300 不需要电源，耐用。但感温部件体积较大

热触

热电势 钨铼热电偶

铂铑热电偶

其他热电偶 1000～2100

200～1800

—200～1200 自发电型，标准化较高，品种多。

电阻的变化 铂热电阻

热敏电阻 —200～900

—50～300 标准化程度高，但需要接入桥路才能得到电

压输出

PN结电压 硅半导体二极管

（半导体集成电路温度传感器） —50～150 体积小，性能好，但测温范围小。

温度-颜色 示温涂料

液晶 —50～1300

0～100 面积大，可得到温度图像，但易衰老，精度低。

光辐射

热辐射 红外辐射温度计

光学高温温度计

热释电温度计

光子探测温度计 —50～1500

500～3000

0～1000

0～3500 非接触式测量，反应快，但易受环境及被测体表面状态影响，标定困难。

7.2 热电偶传感器的工作原理

7.2.1 热电效应

１８２１年，德国物理学家赛贝克（T·J·Seebeck）用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转，如图7—1a所示。如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱

与两个结点的温差有关。

图7-1 热电偶原理图

据此，赛贝克发现和证明了两种不同材料的导体Ａ和Ｂ组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为Ｔ0的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为几的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。

根据电子理论分析表明：热电偶产生的热电势EAB(T，T0)主要由接触电动势组成。

将两种不同的金属互相接触，如图7—1a、b所示。由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属Ａ和Ｂ的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属Ａ扩散到密度小的金属Ｂ，使Ａ失去电子带正电，Ｂ得到电子带负电，直至在接点处建立起充分强大的电场，能够阻止电子的继续扩散，从而达到动态平衡为止，从而建立起稳定的热电势。这种在两种不同金属的接点处产生的热电势

称为珀尔帖电动势，又称接触电动势。它的数值取决于两种导体的自由电子密度和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。

由于热电偶的两个结点均存在珀尔帕电动势，所以热电偶所产生的总的热电势是两个结点温差△ｔ的函数ABf（见图7—2及图7—4），即

tfTTfTTEABABAB),(),(00 （7-3）

图7-2 热电偶的电动势

由上式可以得出下列几个结论：

1.如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电势必然等于零。两结点温差越大，热电势越大。

2.如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（0tt），但总输出热电势仍为零。因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。

3.式（7-4）中不包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电势的大小只与材料和结点温度有关，而与热电偶的长短、粗细、形状无关。热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关，热电偶越细，内阻越大。

如果以摄氏温度为单位，EAB（T，T0）也可以写成EAB（t，t0），其

物理意义略有不同，但电动势的数值是相同的。

7.2.2 中间导体定律

若在热电偶回路中插人中间导体，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电势无影响。这就是中间导体定律，见图7-3a。如果热电偶回路中插人多种导体（Ｄ、Ｅ、Ｆ……）如图7-3ｂ所示，只要保证插人的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势也无影响。

图7-3 具有中间导体的热电偶回路

利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是十分重要的。在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。