温度检测技术及相关仪器的发展现状

陈至坤，李蓓

(河北联合大学电气工程学院，河北唐山 063009)

1 温度检测技术分类

随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法:

1.1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计

利用此原理制成的温度计大致分成三大类:

(1)玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质(水银、酒精、甲苯、煤油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的;

(2)双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度;

(3)压力式温度计，它是由感温物质(氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。

1.2 利用热阻效应技术制成的温度计

用此技术制成的温度计大致可分成以下几种:

(1)电阻测温元件，它是利用感温元件(导体)的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻(分度号为Pt100，Pt10两种)和铜热电阻(分度号有Cu50，Cu100 两种)。

(2)导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大副温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。

(3)陶瓷热敏元件

它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为PCI或NCT热敏元件。PCT热敏元件分为突变型及缓变型二类。突变型PCT元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型PCT元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。NCT元件特性与PCT元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。

1.3 利用热电效应技术制成的温度检测元件

利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶温度计。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有K型、S型、B型等。

1.4 利用热辐射原理制成的高温计

辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计;另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。

1.5 利用声学原理进行温度测量

声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。声学温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。

1.6 利用红外测技术温

红外测温技术是通过检测物体表面能量来检测物体温度的。

2 国内外温度测量仪器仪表发展状况

现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)，而仪器仪表正是实现信息的获得、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具，是当今普遍称之为实现时代标志的信息科技的三大基础的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表作用的认识愈加深入。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。

根据仪器仪表所采用的显示方式和功能，可以将仪器仪表分为三代产品，即模拟仪器仪表，数字式仪器仪表和智能化仪器仪表。

2.1 模拟式仪器仪表

这种仪器仪表至今仍在各种场合被广泛地使用着。这种仪器仪表显示部分的基本结构是利用电磁力相互作用原理，通过指针相对于标尺的位移来显示最终测量读数。

2.2 数字式仪器仪表

它具有较模拟式仪器仪表为高的测量精度与响应速度。这类仪器仪表的基本原理在于将待测的信号转化数字信号进行测量。今天数字化仪表的增长速度己远远超过模拟式仪器仪表。

2.3 智能化仪器仪表

智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。这类仪器仪表大致可以分为两类:一类内含微处理器，称为“微机化仪表”，另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集与处理，成为智能化仪器。智能仪器仪表以微电子器件代替常规电子线路，以微处理器为核心，具有信息采集，显示，处理，传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。智能化仪器仪表一出现就显示了它的强大生命力，现已成为80年代来仪器仪表发展的一个主要方向。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

随着科技的不断发展，智能温度传感器发展的新趋势:

(1)提高测温精度和分辨力，在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1°C。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625°C。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.031 25°C，测温精度为±0.2°C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

(2)增加测试功能;

(3)总线技术的标准化与规范化，目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线;

(4)可靠性及安全性设计;另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

2.4 虚拟温度传感器和网络温度传感器

2.5 单片测温系统

单片系统(System On Chip)是21世纪一项高新科技产品。它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108～109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。目前，国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片测温系统，相信在不久的将来即可面市，必将以更快的速度发展。

［1］王魁汉，李友，王柏忠.温度测量的最新动态及特殊与实用测温技术［J］.自动化仪表，2001，22(8):1-4.

［2］乐嘉华.温度检测技术的现状和未来［J］.煤油化工自动化，1998，(2):80.