溫度檢測技術(shù)及相關(guān)儀器的發(fā)展現(xiàn)狀

陳至坤，李蓓

(河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063009)

1 溫度檢測技術(shù)分類

隨著國內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢測技術(shù)也不斷地進(jìn)步，目前的溫度檢測使用的溫度計(jì)種類繁多、應(yīng)用范圍也較廣泛，大致包括以下幾種方法:

1.1 利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計(jì)

利用此原理制成的溫度計(jì)大致分成三大類:

(1)玻璃溫度計(jì)，它是利用玻璃感溫包內(nèi)的測溫物質(zhì)(水銀、酒精、甲苯、煤油等)受熱膨脹、遇冷收縮的原理進(jìn)行溫度測量的;

(2)雙金屬溫度計(jì)，它是采用膨脹系數(shù)不同的兩種金屬牢固粘合在一起制成的雙金屬片作為感溫元件，當(dāng)溫度變化時(shí)，一端固定的雙金屬片，由于兩種金屬膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生彎曲，自由端的位移通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針指示出相應(yīng)溫度;

(3)壓力式溫度計(jì)，它是由感溫物質(zhì)(氮?dú)?、水銀、二甲苯、甲苯、甘油和低沸點(diǎn)液體如氯甲烷、氯乙烷等)隨溫度變化，壓力發(fā)生相應(yīng)變化，用彈簧管壓力表測出它的壓力值，經(jīng)換算得出被測物質(zhì)的溫度值。

1.2 利用熱阻效應(yīng)技術(shù)制成的溫度計(jì)

用此技術(shù)制成的溫度計(jì)大致可分成以下幾種:

(1)電阻測溫元件，它是利用感溫元件(導(dǎo)體)的電阻隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，從而達(dá)到測溫的目的。目前常用的有鉑熱電阻(分度號(hào)為Pt100，Pt10兩種)和銅熱電阻(分度號(hào)有Cu50，Cu100 兩種)。

(2)導(dǎo)體測溫元件，它與熱電阻的溫阻特性剛好相反，即有很大副溫度系數(shù)，也就是說溫度升高時(shí)，其阻值降低。

(3)陶瓷熱敏元件

它的實(shí)質(zhì)是利用半導(dǎo)體電阻的正溫特性，用半導(dǎo)體陶瓷材料制作而成的熱敏元件，常稱為PCI或NCT熱敏元件。PCT熱敏元件分為突變型及緩變型二類。突變型PCT元件的溫阻特性是當(dāng)溫度達(dá)到頂點(diǎn)時(shí)，它的阻值突然變大，有限流功能，多數(shù)用于保護(hù)電器。緩變型PCT元件的溫阻特性基本上隨溫度升高阻值慢慢增大，起溫度補(bǔ)償作用。NCT元件特性與PCT元件的突變特性剛好相反，即隨溫度升高，它的阻值減小。

1.3 利用熱電效應(yīng)技術(shù)制成的溫度檢測元件

利用此技術(shù)制成的溫度檢測元件主要是熱電偶溫度計(jì)。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)。常用的熱電偶有K型、S型、B型等。

1.4 利用熱輻射原理制成的高溫計(jì)

輻射測溫在近年相對(duì)其他的測溫領(lǐng)域顯得活躍些，熱輻射高溫計(jì)通常分為兩種:一種是單色輻射高溫計(jì)，一般稱光學(xué)高溫計(jì);另一種是全輻射高溫計(jì)，它的原理是物體受熱輻射后，視物體本身的性質(zhì)，能將其吸收、透過或反射。而受熱物體放出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關(guān)系。熱輻射式高溫計(jì)就是根據(jù)這種熱輻射原理制成的。

1.5 利用聲學(xué)原理進(jìn)行溫度測量

聲學(xué)法溫度檢測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，利用該技術(shù)，可以對(duì)爐內(nèi)的煙氣溫度測量值和火焰分布在線檢測，判斷爐的燃燒狀況，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制。聲學(xué)溫度檢測技術(shù)的基本原理是通過測量聲波傳感器間的聲波傳播時(shí)間以最小二乘原理重建溫度的測量方法。

1.6 利用紅外測技術(shù)溫

紅外測溫技術(shù)是通過檢測物體表面能量來檢測物體溫度的。

2 國內(nèi)外溫度測量儀器儀表發(fā)展?fàn)顩r

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))，而儀器儀表正是實(shí)現(xiàn)信息的獲得、轉(zhuǎn)化、存取、處理和揭示物質(zhì)活動(dòng)規(guī)律的必要工具，是當(dāng)今普遍稱之為實(shí)現(xiàn)時(shí)代標(biāo)志的信息科技的三大基礎(chǔ)的必要手段，也是新技術(shù)革命的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為特征的信息時(shí)代的到來，人們對(duì)儀器儀表作用的認(rèn)識(shí)愈加深入。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，在高新技術(shù)的推動(dòng)下，正跨入真正的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代。

根據(jù)儀器儀表所采用的顯示方式和功能，可以將儀器儀表分為三代產(chǎn)品，即模擬儀器儀表，數(shù)字式儀器儀表和智能化儀器儀表。

2.1 模擬式儀器儀表

這種儀器儀表至今仍在各種場合被廣泛地使用著。這種儀器儀表顯示部分的基本結(jié)構(gòu)是利用電磁力相互作用原理，通過指針相對(duì)于標(biāo)尺的位移來顯示最終測量讀數(shù)。

2.2 數(shù)字式儀器儀表

它具有較模擬式儀器儀表為高的測量精度與響應(yīng)速度。這類儀器儀表的基本原理在于將待測的信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測量。今天數(shù)字化儀表的增長速度己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過模擬式儀器儀表。

2.3 智能化儀器儀表

智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。這類儀器儀表大致可以分為兩類:一類內(nèi)含微處理器，稱為“微機(jī)化儀表”，另一類，儀器本身與微型機(jī)在硬件結(jié)構(gòu)上是分開的，但儀器由微型機(jī)控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，成為智能化儀器。智能儀器儀表以微電子器件代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，具有信息采集，顯示，處理，傳輸及優(yōu)化控制等功能，甚至具有輔助專家進(jìn)行推斷分析與決策的能力。智能化儀器儀表一出現(xiàn)就顯示了它的強(qiáng)大生命力，現(xiàn)已成為80年代來儀器儀表發(fā)展的一個(gè)主要方向。進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。

隨著科技的不斷發(fā)展，智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢:

(1)提高測溫精度和分辨力，在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1°C。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9～12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.5～0.0625°C。由美國DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.031 25°C，測溫精度為±0.2°C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為27us、9us。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。

(2)增加測試功能;

(3)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線;

(4)可靠性及安全性設(shè)計(jì);另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。

2.4 虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器

2.5 單片測溫系統(tǒng)

單片系統(tǒng)(System On Chip)是21世紀(jì)一項(xiàng)高新科技產(chǎn)品。它是在芯片上集成一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)，其集成度將高達(dá)108～109元件/片，這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應(yīng)用帶來劃時(shí)代的進(jìn)步。目前，國際上一些著名的IC廠家已開始研制單片測溫系統(tǒng)，相信在不久的將來即可面市，必將以更快的速度發(fā)展。

［1］王魁漢，李友，王柏忠.溫度測量的最新動(dòng)態(tài)及特殊與實(shí)用測溫技術(shù)［J］.自動(dòng)化儀表，2001，22(8):1-4.

［2］樂嘉華.溫度檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和未來［J］.煤油化工自動(dòng)化，1998，(2):80.