山東科技大學(xué) 王學(xué)水 張冉冉

幾種接觸式測(cè)溫方法的比較

山東科技大學(xué) 王學(xué)水 張冉冉

本文從測(cè)溫原理出發(fā)，介紹了幾種接觸式測(cè)溫方法，并列舉其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

測(cè)溫；熱電阻；熱電偶；集成溫度傳感器

1 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度的測(cè)量是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。而測(cè)量溫度的標(biāo)尺是溫度計(jì)，其按照測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。非接觸式測(cè)溫是通過(guò)熱輻射來(lái)進(jìn)行測(cè)量，受外界環(huán)境因素的影響比較大，因此測(cè)量誤差較大。本文介紹了幾種常用接觸式測(cè)溫方法并進(jìn)行了比較。

2 測(cè)溫方法

接觸式測(cè)溫儀器是敏感元件與被測(cè)物體充分接觸，通過(guò)熱交換測(cè)得溫度，比較簡(jiǎn)單、直觀可靠，且測(cè)量精度高。接觸式測(cè)溫儀器按照測(cè)溫原理不同可分為四類：膨脹式溫度計(jì)、熱電阻式溫度計(jì)、熱電偶式溫度計(jì)和PN結(jié)集成溫度傳感器。

2.1 膨脹式溫度計(jì)

膨脹式溫度計(jì)的測(cè)溫原理是利用氣體、液體或固體遇熱產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象制成的。最常見(jiàn)的有液體膨脹式溫度計(jì)（如圖1所示）和固體膨脹式溫度計(jì)（如圖2所示）。液體膨脹式溫度計(jì)一般用于人們的生活當(dāng)中，而固體膨脹式溫度計(jì)是用于工業(yè)中測(cè)量溫度。

圖1 液體膨脹式溫度計(jì)

圖2 固體膨脹式溫度計(jì)

2.2 熱電阻式溫度計(jì)

熱電阻式溫度計(jì)將對(duì)溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)電阻的測(cè)量，其測(cè)溫原理是導(dǎo)體或半導(dǎo)體的阻值隨溫度的變化而變化。熱電阻具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)。根據(jù)測(cè)溫元件材料的不同可分為金屬熱電阻式溫度計(jì)（熱電阻）和半導(dǎo)體熱電阻式溫度計(jì)（熱敏電阻）。

2.2.1 熱電阻

常用熱電阻是鉑熱電阻（-200℃～850℃）和銅熱電阻（-50℃～150℃）。

鉑熱電阻阻值與溫度的換算公式為：

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100) t3]

式中：

R0、Rt——溫度為0及t℃時(shí)的鉑電阻的電阻值；

A、B、C——常數(shù)值，其中：

A=3.96847×10-3℃-1

B=5.847×10-7℃-2

C=4.22×10-12℃-4

鉑熱電阻物理化學(xué)性質(zhì)極穩(wěn)定，測(cè)量精度高；但其電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格昂貴。我國(guó)工業(yè)上常用Pt10和Pt100，而Pt1000常用于民用。

銅熱電阻阻值與溫度的換算公式為：

Rt=R0（1+α)

式中：

R0、Rt——溫度為0及t℃時(shí)銅電阻的電阻值；

α——銅電阻的溫度系數(shù)α=4.28899×10-3℃-1

銅熱電阻具有良好的輸出特性且電阻溫度系數(shù)高，價(jià)格也比較便宜；但其電阻率低，測(cè)溫范圍窄。我國(guó)工業(yè)用銅電阻分度號(hào)為Cu50、Cu100。

2.2.2 熱敏電阻

熱敏電阻是一種半導(dǎo)體材料制成的敏感元件。其特點(diǎn)為：

(1)靈敏度高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測(cè)出10-6℃溫度變化。

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，元件尺寸可做到直徑為0.2mm，能夠測(cè)出一般溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體、內(nèi)孔、生物體血管等處的溫度。

(3)熱慣性小，響應(yīng)速度快，時(shí)間常數(shù)可小到毫秒級(jí)。

(4)使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ之間任意選擇。

2.3 熱電偶式溫度計(jì)

熱電偶式溫度計(jì)將對(duì)溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)電勢(shì)的測(cè)量，其測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)。兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成圖3所示的閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)）溫度t和t0不相同時(shí)，回路中即產(chǎn)生電勢(shì)，并有電流流通，稱回路電勢(shì)為熱電勢(shì)。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中與被測(cè)物質(zhì)接觸的一端稱為測(cè)量端或熱端，而另一端稱為參考端或冷端。

圖3 熱電效應(yīng)原理圖

如果熱電偶在測(cè)溫精度上要求比其冷端的環(huán)境溫度高，就需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。不過(guò)在百分之幾的測(cè)溫精度范圍內(nèi)進(jìn)行高溫測(cè)量時(shí)，讓冷端處于環(huán)境溫度常常是可以的。熱電偶測(cè)出的信號(hào)單位為毫伏級(jí)，因此需要將其放大后顯示，其電路圖如圖4所示。

圖4 熱電偶測(cè)溫電路圖

熱電偶與熱電阻的比較：

2.4 PN結(jié)集成溫度傳感器

PN結(jié)集成溫度傳感器相比于熱電阻和熱電偶來(lái)說(shuō)具有靈敏度高、測(cè)量精度高以及反應(yīng)速度快、輸出特性成線性等的優(yōu)點(diǎn)，其最大的特點(diǎn)是將驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在一個(gè)芯片上，具有體積小，使用方便的特點(diǎn)。PN結(jié)集成溫度傳感器是利用PN結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系制成的一種一體化溫度檢測(cè)元件。

電壓輸出型（AN6701S）、電流輸出型（AD590）、數(shù)字輸出型（DS18B20）。

圖5 PN結(jié)伏安特性曲線圖

3 總結(jié)

目前使用較多的是鉑電阻測(cè)溫以及集成溫度傳感器測(cè)溫。Pt100及Pt10因其電流大，抗干擾性能好，所以會(huì)使用在工業(yè)中；而Pt1000的功耗小，因此會(huì)使用在民用中。集成溫度傳感器的輸出電壓或輸出電流隨溫度的變化呈線性（如圖6所示），可理想地取代熱電偶。電壓輸出型和電流輸出型集成溫度傳感器常用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)。

圖6 集成溫度傳感器的輸出電壓隨溫度的變化圖

[1]凌振寶,王君,張瑞鵬,馬心璐.集成溫度傳感器原理及應(yīng)用[J].傳感器世界,2002.

[2]魏智.集成溫度傳感器的典型應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2000.

[3]洪妍,周子旭.熱電偶與熱電阻的區(qū)別[J].智能技術(shù),2011,05.

王學(xué)水（1964—），男，碩士，山東科技大學(xué)教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榭平虄x器、智能儀器儀表的研發(fā)。

張冉冉（1991—），女，碩士，現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué)，主要研究方向：智能傳感器與信息處理。