应用分析-实用温度测量（一）

简介

合成燃料研究、太阳能转换和新发动机开发是应对我 们日益减少的自然资源状态仅有的少数几个迅速发展的 学科。随着所有行业把新重点放在能效上，基本的温度 测量呈现出更高的重要性。本应用说明的目的是探索更 常见的温度监测技术并介绍提高其精度的过程。

我们将重点介绍以下四种最常见的温度传感器：热电 偶、RTD、热敏电阻和集成电路传感器。尽管热电偶已 得到广泛应用，但却常被误用。因此，我们将主要集中 介绍热电偶测量技术。

附录A包含了热电偶的经验定律，这是本文中使用的 所有推导结论的基础所在。如果读者想要更深入地讨论 热电偶理论，请阅读参考文献中的参考资料17。

对于使用特定热电偶应用的人员，附录B可帮助他们 选择最佳类型的热电偶。

在本应用说明中，我们将重点强调传感器布置、信号 调节和仪器的实用考虑因素。

早期测量设备 - 伽利略在约1592年前后发明了温度 计。1, 2, 3他在开口的容器中装满有色酒精，并悬挂一个喉 部狭长的玻璃管，管顶部是一个空心球。加热后，球体 中的空气膨胀并通过液体冒出气泡。冷却球体会导致液 体在管中向上移动。1然后，可通过标注液体在管内的位 置观察球体的温度波动。这一“倒置”的温度计只是一 个简劣的指示器，因为液位会随大气压力变化并且玻璃 管没有刻度。随着佛罗伦萨温度计的发展，纳入了密封结构和刻度尺，温度测量的精度有了巨大提高。

在随后的几十年里，人们构思了许多种温标，所有这 些都基于两个或更多固定点。但其中一种温标直到18世

纪早期才得到公认，当时荷兰的仪器制造商华伦海特 制作出了精确并且可重复的水银温度计。对于华氏温 标的低端固定点，华伦使用了冰水和盐（或氯化铵） 的混合物。这是他能够重现的最低温度，并且他将其 标记为“零度”。对于华氏温标的高端，他选择了人 体血液温度并将其标为96度。

为什么是96度而不是100度？这是因为早期的刻度 被分成十二等份。而华伦显然为了努力追求更高的分 辨率，而将华氏温标分成24等份、48等份乃至最终的 96等份。

华氏温标得到普及主要是因为华氏制造温度计的可 重复性和质量。

约1742年，安德斯摄尔修斯提出将冰的融点和水的 沸点用作温标的两个基准。摄尔修斯选择将零度作为 沸点而将100度作为融点。后来，这两个端点被颠倒过 来，百分度温标就这样诞生了。1948年，该温标正式 更名为摄氏温标。

19世纪早期，威廉汤姆森（开尔文男爵）根据理想 气体的膨胀系数制定了通用的热力学温标。开尔文确 立了绝对零度的概念，开氏温标仍然是现代温度测量 的标准。

四种现代温标的转换公式如下：

˚C = 5/9 (˚F - 32) ˚F= 9/5 ˚C + 32
K = ˚C + 273.15 ˚R= ˚F + 459.67

兰金温标(˚R)仅仅是开氏温标的等效温标，以热力学 领域早期的先驱W.J.M.兰金的名字命名。

基准温度

我们可以建立电压分配器而无法建立分温器，我们不 能像以增加长度来测量距离那样增加温度。我们必须依 赖通过物理现象确定的温度，这些温度易于观察且本质 不变。国际实用温标(IPTS)就是基于此类现象。1968年 修订版确定了十一项基准温度。

由于这些固定的温度只能用作基准，因此我们必须使 用仪器在这些温度之间插补。但在这些温度之间精确插 补可能需要一些相当特异的传感器，其中许多传感器太 过复杂或昂贵而无法在实际情况中使用。我们将只讨论 以下四种最常见的温度传感器：热电偶、电阻式温度检 测器(RTD)、热敏电阻和集成电路传感器。

热电偶

当由不同金属组成的两根电线两端项链并且对其中一 端进行加热时，热电电路中会有连续的电流流动。托马 斯塞贝克在1821年发现了这一现象。

如果此电路在中央断开，则净开路电压（塞贝克电 压）是连接点温度和两种金属成分的函数。

所有不同的金属都展示出这种效应。两种金属的最常 见组合如该应用说明的附录B所示，并且列出了它们的 重要特性。对于小的温度变化，塞贝克电压与温度成线 性比例。

ΔeAB = αΔT

其中塞贝克系数α是比例常数。

测量热电偶电压–我们无法直接测量塞贝克电压，因为 我们必须首先将电压表连接到热电偶，然后电压表会自 己创建一个新的热电电路。

让我们将电压表跨接到铜-康铜（T型）热电偶并查看 电压输出：

等效电路

我们希望电压表只读V1，但我们已通过连接电压表尝 试测量连接点J1的输出，创建了两个更具金属性的连接 点：J2和J3。由于J3是铜-铜连接点，因此它不会建立热 电动势(V3 = 0)，但J2是铜-康铜连接点，将会添加一个相 对于V1的电动势(V2)。产生的电压表读数V将与J1和J2间 温差成正比。这就是说，我们只有在确定J2的温度之后 才能确定J1处的温度。