几种接触式测温方法的比较

山东科技大学 王学水 张冉冉

几种接触式测温方法的比较

山东科技大学 王学水 张冉冉

本文从测温原理出发，介绍了几种接触式测温方法，并列举其各自的优缺点进行了比较。

测温；热电阻；热电偶；集成温度传感器

1 引言

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度的测量是建立在热平衡基础上的。而测量温度的标尺是温度计，其按照测量方式可分为接触式和非接触式两大类。非接触式测温是通过热辐射来进行测量，受外界环境因素的影响比较大，因此测量误差较大。本文介绍了几种常用接触式测温方法并进行了比较。

2 测温方法

接触式测温仪器是敏感元件与被测物体充分接触，通过热交换测得温度，比较简单、直观可靠，且测量精度高。接触式测温仪器按照测温原理不同可分为四类：膨胀式温度计、热电阻式温度计、热电偶式温度计和PN结集成温度传感器。

2.1 膨胀式温度计

膨胀式温度计的测温原理是利用气体、液体或固体遇热产生膨胀现象制成的。最常见的有液体膨胀式温度计（如图1所示）和固体膨胀式温度计（如图2所示）。液体膨胀式温度计一般用于人们的生活当中，而固体膨胀式温度计是用于工业中测量温度。

图1 液体膨胀式温度计

图2 固体膨胀式温度计

2.2 热电阻式温度计

热电阻式温度计将对温度的测量转化为对电阻的测量，其测温原理是导体或半导体的阻值随温度的变化而变化。热电阻具有测量精度高、测量范围广等特点。根据测温元件材料的不同可分为金属热电阻式温度计（热电阻）和半导体热电阻式温度计（热敏电阻）。

2.2.1 热电阻

常用热电阻是铂热电阻（-200℃～850℃）和铜热电阻（-50℃～150℃）。

铂热电阻阻值与温度的换算公式为：

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

式中：

R0、Rt——温度为0及t℃时的铂电阻的电阻值；

A、B、C——常数值，其中：

A=3.96847×10-3℃-1

B=5.847×10-7℃-2

C=4.22×10-12℃-4

铂热电阻物理化学性质极稳定，测量精度高；但其电阻温度系数小，价格昂贵。我国工业上常用Pt10和Pt100，而Pt1000常用于民用。

铜热电阻阻值与温度的换算公式为：

Rt=R0（1+α)

式中：

R0、Rt——温度为0及t℃时铜电阻的电阻值；

α——铜电阻的温度系数α=4.28899×10-3℃-1

铜热电阻具有良好的输出特性且电阻温度系数高，价格也比较便宜；但其电阻率低，测温范围窄。我国工业用铜电阻分度号为Cu50、Cu100。

2.2.2 热敏电阻

热敏电阻是一种半导体材料制成的敏感元件。其特点为：

(1)灵敏度高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃温度变化。

(2)结构简单，体积小，元件尺寸可做到直径为0.2mm，能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度。

(3)热惯性小，响应速度快，时间常数可小到毫秒级。

(4)使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ之间任意选择。

2.3 热电偶式温度计

热电偶式温度计将对温度的测量转化为对电势的测量，其测温原理是基于热电效应。两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图3所示的闭合回路，当两个接触点（称为结点）温度t和t0不相同时，回路中即产生电势，并有电流流通，称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测物质接触的一端称为测量端或热端，而另一端称为参考端或冷端。

图3 热电效应原理图

如果热电偶在测温精度上要求比其冷端的环境温度高，就需要进行冷端温度补偿。不过在百分之几的测温精度范围内进行高温测量时，让冷端处于环境温度常常是可以的。热电偶测出的信号单位为毫伏级，因此需要将其放大后显示，其电路图如图4所示。

图4 热电偶测温电路图

热电偶与热电阻的比较：

2.4 PN结集成温度传感器

PN结集成温度传感器相比于热电阻和热电偶来说具有灵敏度高、测量精度高以及反应速度快、输出特性成线性等的优点，其最大的特点是将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在一个芯片上，具有体积小，使用方便的特点。PN结集成温度传感器是利用PN结的伏安特性与温度之间的关系制成的一种一体化温度检测元件。

电压输出型（AN6701S）、电流输出型（AD590）、数字输出型（DS18B20）。

图5 PN结伏安特性曲线图

3 总结

目前使用较多的是铂电阻测温以及集成温度传感器测温。Pt100及Pt10因其电流大，抗干扰性能好，所以会使用在工业中；而Pt1000的功耗小，因此会使用在民用中。集成温度传感器的输出电压或输出电流随温度的变化呈线性（如图6所示），可理想地取代热电偶。电压输出型和电流输出型集成温度传感器常用于温度测量、温度补偿等系统。

图6 集成温度传感器的输出电压随温度的变化图

[1]凌振宝,王君,张瑞鹏,马心璐.集成温度传感器原理及应用[J].传感器世界,2002.

[2]魏智.集成温度传感器的典型应用[J].仪表技术与传感器,2000.

[3]洪妍,周子旭.热电偶与热电阻的区别[J].智能技术,2011,05.

王学水（1964—），男，硕士，山东科技大学教授，主要研究领域为科教仪器、智能仪器仪表的研发。

张冉冉（1991—），女，硕士，现就读于山东科技大学，主要研究方向：智能传感器与信息处理。