第6章温度检测技术-PPT精选

第6章温度检测技术6.1温度与标定6.2测温方法分类及其特点6.3热膨胀式测温方法6.4热阻式测温方法6.5热电式测温方法6.6辐射法测温6.7新型温度传感器及其测温技术前言温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数；从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志；温度与人们日常生活紧密相关。6.1温标与标定6．1．1温标经验温标热力学温标绝对气体温标国际实用温标和国际温标6.1.2标定温标为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。利用一些物质的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。经验温标华氏温标1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉经验温标摄氏温标1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。摄氏温度和华氏温度的关系为T℉=t℃+32(6-1)式中T——华氏温度值;t——摄氏温度值。热力学温标热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnotcycle)为基础。热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与水的三相点温度分为273．16份，每份为1K(Kelvin)。绝对气体温标从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律：PV=RT(6-2)当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样就有：T2/T1=P2/P1国际实用温标指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便；1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS一90。ITS一90基本内容为：重申国际实用温标单位仍为K；国际摄氏温度和国际实用温度关系为：把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下：①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计；②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计；③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计；④961.78℃以上，用光学或光电高温计；新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。见表6-1所示：9090273.15tT标定对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法：标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的温度计可作为标准温度计来测温度。标准表法：把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。6.2测温方法分类及其特点根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式温度测量非接触式温度测量接触式温度测量测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。非接触式温度测量感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受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;非接触式测温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。接触式与非接触式测温特点比较方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2～3秒钟其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围6.3热膨胀式测温方法6.3.1.玻璃温度计6.3.2压力温度计6.3.3双金属温度计根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀(包括液体和固体膨胀)式，热阻(包括金属热电阻和半导体热电阻)式、热电(包括热电偶和PN结)式等多种形式。膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。玻璃温度计玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。玻璃温度计的分类：全浸式：测温准确度高，但读刻度困难，使用操作不便。局浸式：读数容易，但测量误差较大，即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。V形工业玻璃温度计压力温度计压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。压力温度计的典型结构示意图这类压力温度计其毛细管细而长(规格为1—60m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。电接点压力式温度计电接点压力式温度计WTQ288型号WTQ288公称直径（mm）φ100,φ150测量范围（℃）-40~60—20~160尾长（m）3-20精度等级1.5连接螺纹M27×2材料胶木壳体，铜温包，铜毛细管双金属温度计固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：10101LLktt双金属温度计原理图双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。6.4热阻式测温方法6.4.1铂电阻测温6.4.2铜电阻和热敏电阻测温基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。铂电阻测温概述铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻—温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。当℃时当℃时2000t0850t2301100RtRAtBtCtt201RtRAtBt热电阻的结构热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件：①电阻温度系数大、线性好、性能稳定；②使用温度范围广、加工方便；③固有电阻大，互换性好，复制性强。热电阻的引线形式内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图6-4所示。两线制两线制热电阻测量电桥三线制四线制四线制热电阻测量电桥铜电阻和热敏电阻测温铜电阻铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250℃以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cul00）一般其工作温度范围为-40℃～120℃。其电阻值与温度的关系为：当℃时50150t2301RtRAtBtCt铜电阻半导体热敏电阻热敏电阻的优点：①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数量级；②很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；③体积小；④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；⑤结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。热敏电阻的主要缺点：①阻值与温度的关系非线性严重；②元件的一致性差，互换性差；③元件易老化，稳定性较差；④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意。热敏电阻图示：6.5热电式测温方法6.5.1热电偶测温6.5.2集成温度传感器AD590热电偶测温热电偶是工业和武备试验中温度测量应用最多的器件，它的特点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。测温原理热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应（如图6-9所示）。热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。热电偶两热电极分别叫A（为正极）和B（为负极），两端温度分别为且；则热电偶回路总电势为：0TT、0TT0000ABABABABETTETETETTETT，，，热电偶分类及特性为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能：(1)优良的热电特性；(2)良好的物理性能；(3)优良的化学性能；(4)优良的机械性能；(5)足够的机械强度和长的使用寿命；(6)制造成本低，价值比较便宜。工业用热电偶测温范围热电偶结构普通工业用热电偶热电偶通常主要由四部分组成(如图6-12所示)：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。铠装热电偶铠装热电