溫度傳感器原理及應用
2023年03月28日 08:58:16
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一、熱電偶的應用原理
熱電偶是工業上*常用的溫度檢測元件之一。其優點是：
①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。
②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量，某些特殊熱電偶*低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），*高可達+2800℃（如鎢-錸）。
③構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。
1．熱電偶測溫基本原理
將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，如圖2-1-1所示。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。
2．熱電偶的種類及結構形成
（1）熱電偶的種類
常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶 我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。
(2)熱電偶的結構形式 為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對它的結構要求如下：
① 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；
② 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；
③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。
3．熱電偶冷端的溫度補償
由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴 金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。
在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。
二、熱電阻的應用原理
熱電阻是中低溫區*常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱是阻的測量**度是*高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。
1．熱電阻測溫原理及材料
熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用*多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
2．熱電阻的結構
（1）精通型熱電阻 工業常用熱電阻感溫元件（電阻體）的結構及特點見表2-1-11。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制，有關具體內容參見本篇第三章**節.
（2）鎧裝熱電阻 鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，如圖2-1-7所示，它的外徑一般為φ2~φ8mm，*小可達φmm。
與普通型熱電阻相比，它有下列優點：①體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。
（3）端面熱電阻 端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，其結構如圖2-1-8所示。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。
（4）隔爆型熱電阻 隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。
3．熱電阻測溫系統的組成
熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點：
①熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致
②為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。具體內容參見本篇第三章。
（2）鎧裝熱電阻 鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，如圖2-1-7所示，它的外徑一般為φ2~φ8mm，*小可達φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優點：①體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；②機械性能好、耐振，抗沖擊，③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。
（3）端面熱電阻 端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，其結構如圖2-1-8所示。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。
（4）隔爆型熱電阻 隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影電阻體的斷路修理必然要改變電阻絲的長短而影響電阻值，為此更換新的電阻體為好，若采用焊接修理，焊后要校驗合格后才能使用。
溫度檢測方法根據敏感元件和被測介質接觸與否，可以分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式檢測方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質的膨脹式溫度檢測儀表；基于導體和半導體電阻值隨溫度變化的熱電阻溫度檢測儀表；基于熱電效應的熱電偶檢測儀表。而非接觸式的主要是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應關系對溫度進行檢測。由于這里被測物體為空氣，所以沒用必要使用非接觸式的傳感器。
常用的接觸式溫度傳感器有鉑電阻、熱電偶、半導體熱敏電阻及模擬集成溫度傳感器。比較其特點為：
熱電偶具有測溫范圍廣（-200—1800℃)、測量精度高、便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制等優點。但是其自由端需要溫度補償，而且在低溫常溫段其測量精度較低等缺點。
半導體熱電阻其靈敏度高、且體積小、結構簡單等優點。但是其互換性較差，測量范圍有一定的限制。
鉑電阻的測量精度高，一般都是以鉑電阻作為標準溫度測量元件。標準鉑電阻可以用一種嚴密、合理的方程來描述其電阻值與溫度的關系。鉑電阻的線性較好，只是在接近其范圍極呈非線性。鉑電阻每攝氏度可以改變幾分之一歐姆，適合穩定性為0.05℃的系統。
模擬集成溫度傳感器是20世紀80年代問世的，將溫度傳感器集成在一個芯片上，可完成溫度測量機模擬信號輸出功能的專用集成電路，如AD590、LM335等。它的特點是功能單一、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、線性好。其缺點是測溫范圍比較窄。
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