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温度传感器
技术分类:仪表与过程传感器 作者:姜世昌,上海工业自动化仪表研究所 发表时间:2008-04-27
有正、负之分。B为正值时,热敏电阻为正温度系数;B为负值时,热敏电阻为负温度系数。热敏电阻温度计的特点是灵敏度非常高,这对处理电路有好处;价格也低廉。它的缺点是性能的分散性大,这可从B值的变化范围看出。RT随温度变化的曲线弯曲程度也较大。通过对大量热敏电阻元件的筛选和计算机技术对热敏电阻特性曲线的处理,这种温度计也已取到较多的应用。
  (4)半导体P-N结温度计
  这种温度计是利用半导体二极管的P-N结上的正向压降随所处温度变化而制成的温度测量仪表。P-N结的正向压降VF与所处温度T的关系符合下式:
  VF=Vg- K·T/q(LnD+r·LnT-LnIF )  (6)
  式中,IF为正向流过P-N结的电流;Vg为材料的禁带宽度;K为波尔茨曼常数;q为电子电荷;D为与材料和工艺有关的常数;r为与迁移率有关的常数。实际上,在一定温度内,IF、Vg、K、q、D和r都是常数或可近似于常数,故VF的微分电压dVF/dT可变成
  dVF /dT=-c1-c2LnT,c1、c2为常数。(6’)
  在较窄的温度范围内,
  dVF /dT·2.1mv/℃1。(6”)
  大多数这类温度计是根
据式(6”)制成的。这类温度计的特点是灵敏度高,也较稳定。不足之处是测温范围较窄,应用场合受限。
  以上两大类温度计,有时被统称为接触式温度计。因为它们的传感器部分必须和被测介质直接接触,才能测到正确的温度值。在接触式温度测量中,另有两种测量工具:测温锥和测温纸,需要提一下。测温锥主要用于窑炉中,当窑温达到一定温度时,这种放在窑中的测温锥就会软化而倒下。很多地方的窑工就是用这种方法得知窑内温度的。根据不同的配方,可预制成不同软化点的测温锥。这种测温方法的测温精度是低的,也不能实现窑温的自动控制。测温纸的测温方法,是将这种测温纸粘在被测工件上,当被测工件的温度变化时,测温纸的颜色改变。不同颜色对应不同的温度。这种测温纸的价格便宜,其缺点是测温范围窄,无电信输出。

  辐射类温度计
  高于绝对零度(即开氏温标中的零)的物体都与周围物体进行以辐射形式的能量交换。物体一方面向周围发射能量,另一方面吸收来自周围物体的能量。发射的或吸收的能量是按波长分布的。波长的范围是0~∞。普通物体在有些波长或波段上发射或吸收的能量多些,而在另一些波长或波段上少些,甚至没有。而黑体,这种人为假想的物体,则在所有波长上都向外界发射能量和吸收来自外界的能量。黑体向外界发射的能量W(l,T),D符合普朗克公式,即下式:
  W(l,T)=C1l-5·(exp (C2/l,T-1)-1 ) (7)
  式中,C1和C2为常数,l为波长;T为黑体的温度,以开尔文计,即K计。黑体虽是假想的,但黑体模型能解释实际现象,并已被证实验验证。因此,普朗克公式已被普遍确认是正确的。有了黑体的名称,其他物体就称为非黑体了。有些地方把辐射能量表示成辐射功率,这是把时间因素加进去了,实质是一样的。辐射类测温的理论依据就是普朗克公式。由于现实的被测物体不是黑体,因此按黑体的辐射公式制作的辐射类温度计,在测量实际物体的温度时,就存在一个修正问题,通常称为发射率e(l.T)修正。这是这类温度计的一个先天不足地方。由于物体的发射率e(l.T)与波长l和温度T有关,而且还与被测物体的表面状态有关,如粗糙度。至今还没有找到一个普遍适用的发射率修正方法,只能靠经验了。值得庆幸的是,我们已经积累了较多的经验。
  这类温度计的分类有不同的方法:按温度计所用的波段数量来分类,可分成单波段温度计、双波段温度计和多波段温度计。按波段的宽窄分类,可分成宽波段温度计和窄波段温度计。按所用波段在光谱中位置分类,可分成短波温度计和长波温度计。按所测量的目标大小分类,可分成大目标温度和小目标温度计和测微温度计。按可测温度的高低分类,可分成高温温度计和低温温度计。按被测目标的几何子分类,可分成点温度计、面温度计和体温度计。按温度计的响应速度分类,可分成一般速度温度计和快速温度计。另外还可按温度计对辐射信号处理情况分类,如取信号的最大值或最小值等。每一种分类,除和温度计的结构及所选用的元器件有关外,都和应用现场有关。处理不当,就影响现场测温精度。对用户而言,按不同分类方法选用温度计是非常重要的。这也是辐射类温度计的现场应用效果较差的重要原因。以下按温度计所用波段数量的分类方法进行叙述,兼论按被测目标几何因子的分类方法以及仪表。
  (1) 单波段温度计。这种温度计的品种和数量在辐射类温度计中都是最多的。这种温度计的特点是容易做到根据被测对象的光谱特征确定温度计的工作波段,以取得满意结果。例如,玻璃在可见光的波段内是透明的,发射率接近零,即在可见光的波段内几乎不发射能量。而在4.8~5.6mm波段内,发射率近于1,非常接近黑体。这时,选用4.8

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