第二章 温度测量热电阻非接触(新)

第三节热电阻测温工业上广泛应用电阻温度计来测量―200～＋500℃之间的温度。特点:准确度高；在中低温下（500℃以下）测温,它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。组成:由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘套管和保护套管等主要部件组成。一、测温原理●根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。●实验证明，大多数金属导体当温度升高1℃时，其阻值要增加0.4％～0.6％，半导体的阻值要减小3％～6％。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。●并不是任何材料都选用来制作热电阻。对制作热电阻的材料有很多要求,其中有一点是选用的材料的电阻温度系数要大。电阻温度系数的定义是：温度变化l℃时电阻值的相对变化量，用α来表示，单位是℃-1，根据定义，α用下式表示：一般材料的温度系数α并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（R100－R0）／（R0×100）代表0～100℃之间的平均温度系数，其中R100表示100℃时的电阻值，R0表示0℃时的电阻值。♀为什么要求制作热电阻的材料的电阻温度系数要大？dtdRRdtRdR1二、标准化热电阻1、铂电阻•特点：稳定性好、准确度高、性能可靠，在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系；•纯度要求：铂的纯度常以R100/R0来表示。对于工业用铂电阻，规定其R100/R0为1.385；•分度号：Pt10和Pt100；（注意10和100的含义）•分度关系：铂电阻的温度特性可用下列二式表示：在一200～0℃之间Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]在0～850℃之间Rt=R0(1+At+Bt2)以上两式中Rt——t℃时的电阻值；R0——0℃时的电阻值；A，B，C——常数，对于工业用铂电阻，A＝3.90802×10-3℃-1，B＝－5.802×10-7℃-2,C=－4.27350×10-12℃-42、铜电阻•特点：铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是一50～＋150℃。铜电阻的缺点是：在250℃以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电阻率ρ比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。•纯度：我国规定工业用铜电阻的R100/R0＝1.428。•分度号：铜电阻的分度号是Cu50和Cul00，表示其R0分别为50Ω及100Ω。•分度关系：铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)式中Rt——t℃时的电阻值；R0——0℃时的电阻值A，B，C——常数，对于工业用铜电阻，A＝4.28899×10-3℃-1,B＝－2.133×10-7℃-2，C＝1.233×10-9℃-3。由于铜电阻的特性在0～100℃之间基本上是线性的，所以在0～100℃之间的温度特性可以用下式表示：Rt=R0(1+αt）式中α——0～100℃之间的温度系数，等于4.28×10-3℃-1。3、镍电阻镍电阻的温度系数α较大，因此其灵敏度比铂和铜的高。当温度超过200℃时，α具有特异点，因此规定镍电阻的使用温度范围为一60～＋180℃。镍电阻的电阻比R100/R0＝1.617。由于镍电阻的制造工艺较复杂，很难获得α相同的镍丝，因此它的测量准确度比铂电阻低，制定标准很困难，我国虽已规定它为标准化热电阻，但尚未制订出相应的标准分度表。它的分度号有Ni100，Ni300，Ni500。对Ni100而言，它的温度特性为Rt=100+At+Bt2+Ct4式中：A，B，C为常数，对于R100/R0＝1.618的镍电阻，A＝0.5485℃-1；B＝0.665×10-3℃-1；C＝2.805×10-9℃-4。三、半导体热敏电阻•测温范围：一100～＋300℃•材料：金属氧化物以一定比例混合•分类：NTC、PTC、CTR•结构：珠形、圆片形和棒型•NTC的电阻温度特性:RT=AeB/T•优点（与金属测温电阻相比）四、工业用热电阻的结构由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成。其中保护套管和接线盒的外形及其功能、要求和热电偶基本相同。1、绝缘骨架绝缘骨架是用以缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架。它的质量影响热电阻的技术性能。2．热电阻体3、引出线（l）两线制（2）三线制（3）四线制铂电阻体结构1-银引出线；2-铂丝；3-锯齿形云母骨架；4-保护用云母片；5-银绑带；6-铜电阻横截面；7-保护套管；8-石英骨架1234Φ7.565L铜电阻体结构1-线圈骨架；2-铜热电阻丝；3-补偿组；4-铜引出线半导体热敏电阻结构1-电阻体；2-引出线；3-玻璃保护管；4-引出极；5-锡箔；6-密封材料；7-导体（a）普通工业热电阻(b)铠装热电阻1-接线盒；2-接线柱；1-感温元件；2-金属套管；3-接线座；4-保护套管；3-金属导线;4-绝缘材料；5-引出线；6-感温元件5-接线盒热电阻的结构示意图4、铠装热电阻铠装热电阻是将热电阻体（感温元件）焊到由金属保护套管、绝缘材料和金属导线三者经拉伸而成的细管导线上形成的，然后在外面再焊一段短管做保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头，其结构如图所示。5、膜式铂电阻为了提高铂电阻的抗震性和响应速度，研制出了膜式铂电阻。它分厚膜的与薄膜的两种。厚膜铂电阻是在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形成的。由于铂膜很薄，又在陶瓷基片表面上，所以测温响应时间很小，约为0.1s。薄膜铂电阻则是利用真空镀膜的方法将铂镀在陶瓷基片上形成的，其形状与厚膜的差不多，只是尺寸更小，响应时间更短。6、带热电阻、热电偶的一体化温度变送器●采用一个专用集成电路把热电阻或热电偶的输入信号（电阻或电势）转变成4～20mA的标准输出信号，其中与热电偶相配用的集成电路还有冷端温度补偿性能。●有的专用集成电路还具有线性化功能，即将标准热电阻的电阻与温度之间的非线性关系转变成变送器输出电流（4～20mA）与被测温度之间的线性关系，或使热电偶所感受的温度与变送器输出电流（4～20mA）之间呈线性关系。●专用集成电路的体积很小，因而可装在热电阻或热电偶的接线盒内。供电电压一般为直流24V，多采用二线制，即供电线也就是输出信号线。装有显示仪表的一体化温度变送器可以就地显示温度值。●这种一体化温度变送器可应用于具大量温度测点的集控系统。五、电阻的测量方法对于热电阻阻值的测量,在实验室常用手动电位差计和手动平衡电桥,在工业上常采用不平衡电桥和自动平衡电桥。任何测量电阻的方法，都应注意：（1）通过热电阻的电流不能超过允许值；（2）连接导线的阻值要固定；（3）连接导线的接线方式要尽量能消除环境温度的影响（采用三线制和四线制接线方式）下面主要介绍电桥测量法。1、用手动平衡电桥测电阻原理图三线制连接图四线制平衡电桥测量线路2、用自动平衡电桥测电阻自动平衡电桥的测量桥路3、用不平衡电桥测电阻配热电阻的动圈表XCZ-102热电阻的两线制接法示意热电阻引线的三线制接法示意恒流驱动四线制多路测温恒流驱动三线制多路测温三线制热电阻电桥多路测量电路两线制热电阻电桥多路测量电路热电阻温度计的应用热电阻的误差分析（1）动态误差（2）连线电阻变化引起测量误差（3）热电阻通电发热引起误差（4）机械力带来的误差（5）氧化带来的误差(6)淬火效应的误差六、热电阻的校验工业热电阻的校验采用比较法。第四节测温实例采用接触式测温方法测量温度时，温度计指示的温度只是感温元件本身的温度。若要使测温仪表的感温元件输出反映被测温度，需满足以下条件：（1）温度计和被测对象组成孤立的热平衡系统；（2）温度计的热容和热阻为零。但实际测温中，温度计除与被测对象进行热交换外，还要与周围环境交换热量；再有温度计的热容和热阻也不可能为零。各种因素的影响使得温度计的输出与被测真实温度不同，有时两者的差别很大。单靠提高测温仪表的准确度是不能减小此偏差的，只有通过分析测温对象，选择合理的测温技术，才有可能获得准确的温度值。一、管内流体温度的测量其中、式中、——管内外介质对测温管之间的放热系数；、——管内外两段测温管的热导率，=、——、两段测温管的截面周长，=、——管道内、外两段测温管的截面积，=、——管道内外测温管的长度。11111vbF22222vbF1212121F2F1F2F1L2L1V2V1L2L2L1L要想减小这个误差，需要减小分子项，增大分母项，现在我们来讨论一下误差公式。(1)为管道当中流体与管外介质的温差，为了减小这个误差应该把露在管道外侧的测温管用保温材料包起来，使得测温管露出部分的温度提高，减小热电偶对外导热损失。(2)和要使和增大，必定有增大。(3)必有0310()()tttt11()chbL1110()()thbLtt)()(0122ttLbcth03()tt11()chbL11()thbL11bL)(22Lbcth22bL对管内流体温度进行测量时温度计的安装通常要考虑以下几点：1.测点位置要选在有代表性的地点，不能在温度的死角区域；2.要保证测温元件有一定的插入深度，元件的感温点应处于管道中心流速最大处。对于直径大的管道，测温元件可垂直插入；为增加插入深度，可迎着流体流动的方向斜向插入测温元件；对于内径较小的管道，测温元件可插入弯头处或加装扩大管。图给出了几种常见的测温元件安装方式。（a）垂直安装（b）倾斜安装（c）弯管处安装（d）扩大管安装3.对于高温管道，在测点引出处要加保温材料隔热，以减小热损失带来的测量误差。各种测温管装置方案的测量误差比较温度计安装在蒸汽管道不同位置上测温的情况。该管道内径是100毫米，汽压3MPa，汽温为386℃，流速为30～35米／秒。热套式热电偶1-热套式热电偶；2-充满介质的热套；3-保温层；4-安装插座二、壁面温度测量采用热电偶来测量固体表面温度（a）点接触（2）面接触（3）等温线接触（4）分立接触•测量误差不仅仅与热电偶测量端的接触形式有关，而且与被测面的导热能力有关，如被测固体表面为玻璃、陶瓷等，它们的导热性能差，这时采用（a）接触形式，则误差很大，而采用（b）接触形式则误差大大减小，这是因为金属片导热性能好，当金属片有比较大的面积时，导走相同的热量所需要的温度差会大大减小，使热电偶测量端温度不致降低太多。•如果热电极的直径粗，则散失热量多，测量端温度改变就大；直径细，向外散失热量少，测量端温度改变就小。如果壁面上方气流的速度增大，则热电极散失热量就多，测量端温度改变就大；反之，也就小些。当测量管壁表面温度时，管壁厚度增加，则温度误差就小，这是由于热电极向外导走热量，很快就由管壁的其他部分补充了，因而测温误差就减小。测量壁面温度时要优先考虑以下情况:•在强度允许的条件下，尽量采用直径小、导热系数低的热电偶；•优先考虑等温线敷设；•被测材料为非良导热体，可用面接触方式；•如被测材料允许，表面开槽敷设对提高测量精度更为有利。三、高温气体温度测量减小误差的方式（1）加防辐射隔离罩；（2）减小测温管的总辐射发射率；（3）采用双热电偶测温，通过计算消除误差；（4）采用抽气热电偶。第五节非接触式测温仪表非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量，因此又称为辐射式测温仪表。特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可高达2000℃以上；动态性能好，反应快等,可测运动物体的温度。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测700℃以上的高温。但用红外测量仪表，也可测低达100℃左右的温度。一、辐射测温的基本原理1.准备知识辐射热辐射辐射出射度指物体单位表面积在单位时间内所发射的全部波