如何进行接触式温度测量？

项目简介

温度是一个与人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、生活中需要测量和控制的重要物理量，它是表征物体冷热程度的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度，从空间、海洋探测到家用电器，各个领域都离不开测温和控温。

温度不能直接进行测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，来进行间接的测量。根据测温的方式，测温法可以分为接触式测温法与非接触式测温法两大类。

接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时温度计的示值就是被测对象的温度。以接触式方法测温的有热电偶、热电阻、热敏电阻、压力温度计、双金属温度计以及玻璃温度计等，如图3-1（a）、（b）所示。接触式温度测量特别适合热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温。

非接触式温度测量的特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接收被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。以接触式方法测温的仪表有红外辐射温度计、光学高温温度计等，如图3-1（c）所示。

图3-1　常见温度传感器

（a）热电阻温度传感器；（b）热电偶温度传感器；（c）红外辐射温度计

相关知识

一、热电偶

热电偶是温度测量仪表中一种常用的感温元件，它能将温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表的配合，就能检测出被测的温度。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制以及对温度信号的放大变换都很方便。

1.热电效应

将两种不同的导体或半导体组成一个闭合回路，当两结合点的温度不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，产生的电动势称为热电动势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫作测量端，又称为工作端或热端，另一端叫作冷端，又称自由端或参考端。冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电动势，如图3-2所示。

图3-2　热电偶示意图

（a）热电偶回路；（b）热电偶结构；（c）热电偶电路连接图

热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电动势量的热电动势传感器。实验证明，热电偶回路的热电动势主要由接触电动势和温差电动势组成。

（1）接触电动势

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A 和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A 扩散到密度小的金属B，使A 失去电子带正电，B 得到电子带负电，从而产生接触电动势，如图3-2（a）所示。接触电动势的大小与导体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。

（2）温差电动势

同一导体的两端温度不同时，高温端T 的电子能量要比低温端T0 的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端T 因失去电子而带正电，低温端T0 因获得多余的电子而带负电，这样，导体两端便产生了一个由高温端指向低温端的静电场eA（T，T0），该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。这样，导体两端便产生了电动势，我们称之为温差电动势，如图3-3（b）所示。

图3-3　接触电动势和温差电动势示意图

（a）接触电动势；（b）温差电动势

（3）热电偶回路的总热电动势

如图3-4所示，设两个不同的导体A、B 组成热电偶的两结点温度分别为T 和T0，则热电偶回路所产生的总电动势为：

式中 eAB（T）——热端接触电动势；

eB（T，T0）——B 导体温差电动势；

eAB（T0）——冷端接触电动势；

eA（T，T0）——A 导体温差电动势。

图3-4　热电偶回路

经实践证明，在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，起主要作用的是接触电动势，温差电动势可忽略不计，则热电偶的热电动势可表示为

显然，热电动势的大小与组成热电偶的导体材料和两结点的温度有关。综上所述，得出如下结论：

1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总热电动势为零。

2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B 材料不同，总热电动势为零。

3）当自由端T0 恒定时，热电动势只随测量端温度的变化而变化，只要用测量热电动势的方法就可以测得实际的温度。

4）如果使冷端温度T0 保持不变，则热电动势便成为热端温度T 的单一函数。

2.热电偶的基本定律

（1）均质导体定律

如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电动势。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。

图3-5　中间导体定律

（2）中间导体定律

如图3-5所示中间导体定律是在热电偶回路中接入第三种材料的导体C，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势，总热电动势为：

（3）中间温度定律

热电偶在两结点温度分别为T、Tn、T0 时，热电动势等于该热电偶在结点温度为T、Tn和Tn、T0 相应热电动势的代数和，如图3-6所示。

图3-6　中间温度定律

3.热电偶的材料和种类

（1）热电偶的材料

为了保证在工业现场应用可靠，并具有足够的精度，热电偶的热电极材料在被测温度范围内应满足：配制成的热电偶应具有较大的热电动势，并希望热电动势与温度之间呈线性关系或近似线性关系；能在较宽的温度范围内使用，并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定；电导率要求高，电阻温度系数要小；易于复制，工艺简单，价格便宜。

（2）热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电动势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC 国际标准生产，并指定S、B、N、K、R、J、T、E 八种标准热电偶为我国统一设计型热电偶，如表3-1所示。

表3-1　八种国际通用热电偶特性表

续表

除了上述标准热电偶之外，在某些特殊条件下，例如超高温、超低温等，也应用一些特殊热电偶，因目前还没有达到国际标准化程度，非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表。

4.热电偶的结构

热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜型热电偶等。

（1）普通型热电偶

如图3-7所示，普通型热电偶工业上使用最多，它一般由热电偶丝、绝缘套管、保护套管和接线盒组成。

图3-7　普通型热电偶的结构

1—接线盒；2—保护套管；3—绝缘套管；4—热电偶丝

普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。

（2）铠装型热电偶

如图3-8所示，铠装型热电偶又称套管热电偶，是将热电极、绝缘材料和金属保护管组合在一起经拉伸加工成型的。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，机械强度高，挠性好，耐高压、反应时间短、坚固耐用，可安装在结构复杂的装置上（如狭小的弯曲管道），应用十分广泛。

图3-8　铠装型热电偶示意图

1—热电极；2—绝缘材料；3—金属套管；4—接线盒；5—固定装置

（3）薄膜型热电偶

薄膜型热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶。由于热电偶可以做得很薄，测表面温度时不影响被测表面的温度分布，具有热容量小、动态响应反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及瞬时变化的动态温度测量。如图3-9所示为片状薄膜型热电偶，它采用真空蒸镀法将两种电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氯化硅薄膜作为绝缘和保护层。

图3-9　铁—镍薄膜型热电偶

1—测量结点；2—Fe 膜；3—衬底；4—Ni 膜；5—接头夹；6—Fe 丝；7—Ni 丝

5.热电偶的冷端温度补偿

热电偶的分度表均是在冷端温度为0 ℃时做出的，如果直接利用分度表测温，必须把冷端温度保持为0 ℃。由于实际测量时冷端的温度往往高于0 ℃，而且也不是恒定的，这时，测得热电偶产生的热电动势必然会产生误差，所以在应用热电偶时，通常需要进行必要的修正和处理冷端的温度才能得出准确的测量结果，这种方式称为冷端温度补偿。

目前，热电偶冷端温度补偿主要有以下几种处理方法：

（1）补偿导线法

所谓补偿导线，实际上是一对材料的化学成分不同的导线，在0～100 ℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。如图3-10所示，若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所（如仪表室），其实质是相当于将热电极延长。

图3-10　热电偶与补偿导线连接

补偿导线使用时需要注意的是必须在规定的温度内使用补偿导线，两根补偿导线与热电偶的两个热电极的结点温度必须相同，且极性不能接反；各种补偿导线只能与对应型号的热电偶配合使用。表3-2所示为常用的补偿导线型号和参数。

表3-2　常用的补偿导线型号和参数

（2）冷端恒温法

在实验室条件下采用冷端恒温方式，也称为冰浴法。通常是把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持0 ℃，这时热电偶输出的热电动势与分度值一致。冷端恒温法消除了T0 不等于0 ℃而引入的误差，此种方法一般只适用于实验室中。

（3）电桥补偿法

电桥补偿法是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值，可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡温度上。

电桥补偿法的工作原理如图3-11所示，它由3 个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3 及电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电动势EAB（T，T0）变化时，由于RCu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度T0 变化引起的热电动势变化量，从而达到自动补偿的目的。

（4）仪表机械零点调整法

当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0 ℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。这种方法有一定的误差，但是方便实施，在工业上常采用。

6.热电偶传感器的应用

（1）炉温的测量

热电偶传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用与热电偶配套的显示仪表和记录仪来进行显示和记录。如图3-12所示为利用热电偶测量炉温的系统示意图。

图3-11　电桥补偿法

1—热电偶；2—补偿导线；3—铜导线；4—指示仪表；5—冷端补偿器

图3-12　热电偶测量炉温系统示意图

图中mV 定值器给出设定温度的相应电压值，如热电偶的实际热电动势与定值器的输出值有偏差，则说明炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器去控制晶闸管执行器，从而调整炉丝的加热功率，消除偏差，达到温控的目的。

（2）盐浴炉温度的测量

盐浴炉是用熔融盐液作为加热介质，将工件浸入盐液内加热的工业炉。盐浴炉在热处理设备中占有重要的位置，它是利用熔盐作为电阻发热体，利用电极将电流引入熔盐中，当电流流过浴盐时，电能便转换为热能而使浴盐温度升高，控制电流的通断或大小，就可使浴盐保持一定的温度。盐浴炉的温度控制系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预定温度曲线进行加热。盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、A／D 转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。其系统总体如图3-13所示。

图3-13　盐浴炉温度控制系统总框图

二、热电阻

热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。目前应用较多的热电阻材料主要有铂、铜、镍、铁等。

1.常用的几种热电阻

（1）铂热电阻

铂热电阻的物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，并具有良好的工艺性能，易于提纯，可以做成非常细的铂丝或极薄的铂箔，是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要作为标准电阻温度计广泛应用于各种标准温度检定。

铂热电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示，在0～630.74 ℃范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：(www.xing528.com)

在-190～0 ℃范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：

式中，R0 和Rt 分别表示温度为0 ℃和温度为t ℃时的电阻值；A、B、C 为温度系数。在国际温标ITS—1990 标准中，A＝3.908 3×10 -13／℃，B＝-5.775×10 -7／℃2，C＝-4.183×10 -12／℃。我国规定工业用铂热电阻有R0＝10 Ω、R0＝100 Ω 和R0＝1 000 Ω 三种，对应的分度号分别为Pt10、Pt100 和Pt1000，每种铂热电阻都有自己的分度表，即Rt-t 关系表。只要测量得到铂热电阻的阻值就可以通过分度表找到对应的温度，目前常用的是Pt100。

（2）铜热电阻

由于铂是贵重金属，故在一些测量精度要求不高，测温范围不大的情况下，可以采用铜热电阻来代替铂热电阻进行测温，从而降低成本，同时也能达到精度要求。温度在-50～150 ℃范围内，铜热电阻阻值与温度关系几乎是线性的，可用下式近似表示：

式中 Rt——温度为t ℃时的电阻值；

R0——温度为0 ℃时的电阻值；

α——铜热电阻的电阻温度系数，α＝4.28×10 -3／℃。

与铂热电阻相比，铜热电阻的温度系数要大一些。目前常用的铜热电阻有R0＝50 Ω 和R0＝100 Ω 两种，它们的分度号为Cu50 和Cu100，其中常用的是Cu50。

2.热电阻的结构

热电阻广泛应用于各种条件下的温度测量，目前常见的结构由普通型热电阻、铠装型热电阻和端面型热电阻等。普通型热电阻主要由电阻丝、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成。如图3-14所示为普通型铂热电阻的结构。

图3-14　普通型铂热电阻的结构

1—铂电阻丝；2—绝缘管；3—保护套管；4—安装固定件；5—引线口；6—接线盒

铠装型热电阻比普通型热电阻直径小，它的外径一般为φ2～8 mm，易弯曲，抗震性好，适合安装在普通型热电阻无法安装的场合。在保护套管和热电阻之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等，使其具有很强的抗污染和优良的机械强度。

端面型热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

3.热电阻的引线连接方式

热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其他一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线方式有二线制、三线制、四线制三种，如图3-15所示。

图3-15　热电阻的引线方式

（a）二线制；（b）三线制；（c）四线制

（1）二线制接线

二线制接线即在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r 大小与导线的材质和长度因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

（2）三线制接线

三线制接线即在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线。这种方式通常与电桥配套使用，可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差，是工业过程控制中最常用的引线电阻。

（3）四线制接线

四线制接线即在热电阻的根部两端各连接两根引线，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把电阻变化转换成电压信号U，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

4.热电阻的应用

（1）热电阻温度计

通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响，常采用如图3-16所示的三线制电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。

图3-16　热电阻的测量电路

（2）热电阻流量计

如图3-17所示为热电阻流量计，有两个铂热电阻探头Rt1、Rt2，Rt1放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响，Rt2 放在温度与流体相同，但不受介质流速影响的小室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没有指示，当介质流动时，由于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变化，电桥失去平衡，电流计的指示直接反映了流量的大小。

三、热敏电阻

热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性来实现测温的。半导体热敏电阻因其电阻温度系数大、灵敏度高、热惯性小、反应速度快、体积小、结构简单、易于实现远距离测量等特点得到广泛应用，特别适于在-100～300 ℃测温。

图3-17　热电阻流量计的原理图

1.热敏电阻的工作原理

热敏电阻的测温原理是基于半导体电阻值随着温度的变化而变化的特性。只要测量出感温热敏电阻的阻值变化，就可以测量出温度。半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：

式中 Rt 为温度t 时对应的电阻值；A、B 是取决于半导体材料和结构的常数。

2.热敏电阻的分类

热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型（PTC）、负温度系数型（NTC）和临界温度系数型（CTR）。三类热敏电阻的温度—电阻特性曲线如图3-18所示。

（1）正温度系数型（PTC）

正温度系数型（PTC）热敏电阻主要由BaTiO3（钛酸钡）系列材料制成。其温度—电阻特性曲线如图3-18所示，呈非线性，热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。PTC 热敏电阻通常用作各种电器的过热保护、发热源的定温控制、电路的限流元件。

（2）负温度系数型（NTC）

负温度系数型（NTC）热敏电阻主要由一些过渡金属氧化物半导体陶瓷制成。其温度—电阻特性曲线如图3-18所示，热敏电阻的阻值随温度升高而减小，且有明显的非线性。NTC 热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于-100～＋300 ℃测温，主要用于物体表面温度、温差、温场等的测量，也可以用于自动控制及电子线路的热补偿线路。

（3）临界温度系数型（CTR）

临界温度系数型（CTR）热敏电阻主要由VO3（氧化钒）系列材料制成。其温度—电阻特性曲线如图3-18所示，在某个温度范围内随温度升高电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。CTR 热敏电阻主要用作温度开关。

3.热敏电阻的结构

热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其结构主要由热敏探头、绝缘套管、引线等构成，如图3-19所示。

图3-18　三类热敏电阻的温度—电阻特性曲线

图3-19　热敏电阻的结构与符号

（a）结构；（b）符号

根据不同的使用要求，可以把热敏电阻做成不同的形状和结构，其典型结构有圆片型、柱型、珠型、杆型、管型、平板型、扁圆型、垫圈型，珠型和圆片型热敏电阻外形如图3-20所示。

图3-20　热敏电阻的外形

（a）珠型；（b）圆片型

4.热敏电阻的测量电路

用热敏电阻进行测温时，测量电路一般采用电桥电路。由于引线电阻对热敏电阻的测量影响极小，一般不考虑引线电阻的补偿，但由于热敏电阻的非线性特性，则在测量电路的设计和选择时必须考虑线性化处理。这里简单介绍一种热敏电阻非线性的线性化网络处理方法，如图3-21所示。

图3-21　热敏电阻常用补偿线路

（a）串联补偿电路；（b）并联补偿电路

图3-21（a）中热敏电阻RT 与补偿电阻rc 串联后的等效电阻为R＝RT＋rc，只要rc 的阻值选择恰当，总可以使温度在某一范围内跟电阻的导数呈线性关系，从而电流I 与温度T呈线性关系。图3-21（b）中热敏电阻RT 与补偿电阻rc 并联后的等效电阻为：

从图中可看出，等效电阻R 与温度T 的关系曲线变得比较平坦，因而可以在某一温度范围内得到线性化输出。

5.热敏电阻的应用

（1）温度测量

如图3-22所示为热敏电阻点温计，使用时先将切换开关S 旋到1 处接通校正电路，调节R6 使显示仪表的指针转至测量上限，用以消除由于电源E 电压变化产生的误差。当热敏电阻感温元件插入被测介质后，再将切换开关旋到2 处，接通测量电路，这时显示仪表的示值即为被测介质的温度值。

图3-22　热敏电阻点温计
（a）实物图；（b）电路图

（2）温度补偿

如图3-23所示为由热敏电阻Rt 构成的动圈仪表中的热敏电阻温度补偿电路，动圈仪表都是由锰铜丝制成的，锰铜丝具有正的温度系数，它的电阻率随温度增高而电阻增大，这会使仪表产生测量误差，所以需要负温度系数的热敏电阻进行温度补偿，从而抵消由于温度变化所产生的误差。

（3）流量测量

利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量管道内介质流量，测量原理同热电阻。

图3-23　动圈仪表中热敏电阻温度补偿电路

四、集成温度传感器

集成温度传感器也称为温度传感器集成电路（简写为温度IC），它是利用晶体管PN 结的电流与电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。在使用集成温度传感器时，只需要很少的外围元器件，即可制成温度检测仪表。集成温度传感器具有体积小、测温精度高、稳定性好、重复性好、线性优良、抗干扰能力强等优点，有些集成温度传感器还具有温度控制功能，因此集成温度传感器在温度测控领域应用十分广泛。

1.集成温度传感器的工作原理

集成温度传感器的测温原理是基于PN 结的温度特性，硅二极管或晶体管的PN 结在结电流一定时，正向压降UD 以-2 mV／℃变化，通过测量PN 结的正向电压就可以得到对应的温度值，其测温范围一般在-50～＋150 ℃。

2.集成温度传感器的分类

集成温度传感器按信号输出形式分为模拟输出和数字输出两种类型，其中模拟输出型又包括电流输出型、电压输出型，数字输出型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型等几种不同的形式。典型的电流输出型集成电路温度传感器为AD590、LM134 等；典型的电压输出型集成电路温度传感器有μPC616A／C、LM135、AN6701 等；典型的数字输出型传感器有DS1820、ETC-800 等。

3.AD590 集成温度传感器

AD590 是美国模拟器件公司生产的单片电流输出型两端集成温度传感器，其表征为一个输出电流与温度成比例的电流源。AD590 共有I、J、K、L、M 五挡，在出厂前已经校准，其中M 挡精度最高，I 挡精度最低，在测温范围内的非线性误差M 挡小于±0.3 ℃，I 挡小于±10 ℃，I 挡在应用时需校正。

（1）AD590 集成温度传感器的结构

AD590 是利用PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。AD590的外形和符号如图3-24所示。它采用金属壳三脚封装，其中1 脚为电源正端V＋；2 脚为电流输出端Io；3 脚为管壳，一般不用。

图3-24　集成温度传感器AD590 的封装、外形及符号

（a）金属封装；（b）外形；（c）符号

（2）AD590 集成温度传感器的工作原理

AD590 等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗＞10 MΩ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。对应于热力学温度T，每变化1 K，输出电流变化1 μA。其输出电流Io（μA）与热力学温度T（K）严格成正比。其电流灵敏度表达式为：

式中，k、e 分别为波尔兹曼常数和电子电量；R 是内部集成化电阻。令k／e＝0.086 2 mV／K，R＝538 Ω，代入式（3-10）中得到：

由式（3-11）可知，热力学温度T 每变化1 K，输出电流I 变化1 μA，因此，AD590的输出电流Io 的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（K）。

（3）AD590 集成温度传感器的基本测温电路

1）基本测温电路。AD590 集成温度传感器的基本测温电路如图3-25（a）所示，因为流过AD590 的电流Io 与热力学温度成正比（1 μA／K），当电位器RL 的电阻为精密电阻时，起着将AD590 输出的电流转换为电压的作用，通过调节电位器RL 使输出电压Uo＝1 mV／K。

2）测量摄氏温度电路。如图3-25（b）所示为测量摄氏温度的电路，该电路采用运算放大器构成反相加法器来实现电流—电压的变换。电位器RP 用于调整零点，Rf 用于调整运放的增益。在0 ℃时调整RP，使输出Uo＝1 V。在室温下进行校验，例如室温为25 ℃，那么Uo＝0.25 V。

图3-25　AD590 测温电路

（a）基本测温电路；（b）测量摄氏温度电路

4.集成温度传感器的应用

集成温度传感器除了可以组成基本的测温电路或测量摄氏温度电路，还可以构成温度变送器，与控制仪表相连将测得温度显示出来；也可通过A／D 转换器将电压信号转换为数字信号输出，达到温度数字测控的目的。

（1）温度变送器

如图3-26所示为AD590 组成的输出为4～20 mA 的温度变送器电路原理图，该电路将AD590 原来的1 μA／K 的输出放大到1 mA／℃，所以补偿到17 ℃时对应的电流是4 mA，33 ℃时对应的电流是20 mA。该电路能直接兼容DDZ-Ⅲ型仪表，可以与DDZ-Ⅲ型的显示或控制仪表相连，将测得的温度显示出来，或者用于温度的测控。RT 为一可调电阻器，选择合适的电阻，AD590 在其测量范围内的任意温度都可以线性测定。

图3-26　AD590 组成的温度变送器

（2）温度数字测控电路

如图3-27所示为AD590 组成的输出为数字信号的温度数字测控电路原理图，通过一个A／D 转换器AD670 将AD590 传来的电压信号转换为8 位数字信号输出，这一数字信号既可以传到下一级显示出来，也可以与单片机相连，达到进行温度数字测控的目的。

图3-27　AD590 组成的温度数字测控电路