第六章-温度检测技术1.

信息采集技术第6章温度检测技术温度是表征物体冷热程度的物理量。温度－－国际单位制给出的基本物理量之一。外延量－－可以叠加（长度、时间、质量）；内涵量－－不可以叠加（温度）。6.1温标与标定6.1.1温标温度不能直接加以测量,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着冷热程度不同而变化的特性间接测量。为了定量地描述温度的高低,必须建立温度标尺,即温标。电子信息工程系信息采集技术温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。历史上提出过多种温标,如早期的经验温标（华氏温标和摄氏温标）,理论上的热力学温标,绝对气体温标当前世界通用的国际实用温标。1、经验温标实验方法或经验公式确定的温标。（1）华氏温标华氏温标（℉）规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为℉。电子信息工程系信息采集技术（2）摄氏温标摄氏温标（℃）规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为℃。摄氏温度（t）与华氏温度(T)的关系:2、热力学温标热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。32t59T电子信息工程系信息采集技术3、绝对气体温标从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标叫绝对温标。技术上难度很大、很复杂，操作非常繁杂、困难。4、国际实用温标和国际温标国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS-90。用T90表示。基本内容为：（1）温度单位热力学温度（符号为T）是基本物理量，它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。电子信息工程系信息采集技术由于以前的温标定义中，使用了与273.15K（冰点）的差值来表示温度，因此现在仍保留这个方法。根据定义，摄氏度的大小等于开尔文，温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度(符号为T90)和国际摄氏温度(符号为t90)。国际摄氏温度与国际实用温度的关系：t90＝T90-273.15（2）国际温标ITS-90的通则ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射律使用单色辐射实际可测量的最高温度。ITS-90是这样制订的，即在全量程中，任何温度的T90值非常接近于温标采纳时T的最佳估计值，与直接测量热力学温度相比，T90的测量要方便得多，而且更为精密，并具有很高的复现性。电子信息工程系信息采集技术（3）ITS-90的定义第一温区为0.65K到5.00K之间,T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间T90是用氦气体温度计来定义.第二温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之间,T90是由铂电阻温度计来定义.它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度.银凝固点(961.78℃)以上的温区,T90是按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计。（4）新确认和规定17个固定点温度值来复现整个热力学温标。6.1.2标定标准值法：把被标定温度计置于标准温度值下。标准表法：把被标定温度计与更高一级温度计比较。电子信息工程系信息采集技术6.2测温方法分类及其特点方法：接触式－－感温元件直接与被测对象接触，进行充分热交换；精度相对较高、直观可靠、价格较低、影响热平衡、有测温误差、腐蚀影响感温元件寿命。非接触式－－感温元件不与被测对象直接接触，通过热辐射实现热交换；不改变被测物体的温度分布、热惯性小、测温上限可设的很高、频率响应好。6.3热膨胀式测温方法膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理进行测量的。分为：液体、固体膨胀式。电子信息工程系信息采集技术测温范围：－50～550℃；用于要求低，不需自动记录的场合。6.3.1玻璃温度计直读式仪表，直接读数、无需能源。6.3.2压力温度计体积不变时，压力与温度呈确定函数关系。强度大、读数方便。电子信息工程系信息采集技术6.3.3双金属温度计基于固体受热膨胀的原理，将线膨胀系数差别较大的金属片焊在一起，构成感温元件。抗震性好、读数方便、精度不高。电子信息工程系信息采集技术6.4热阻式测温方法根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转化为电信号。一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻。优点：信号灵敏度高、可以远传、精度高；缺点：需要电源激励、自热现象、测量温度不能太高。6.4.1铂电阻测温1、概述铂电阻的电阻率较大，测温范围广、精度高；常用：Pt100、Pt10；电子信息工程系信息采集技术2、热电阻的结构由感温元件(电阻体)、绝缘管、保护套管、内引线和接线盒等部分组成。电子信息工程系信息采集技术电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝,它与接线盒柱相接,以便与外接线路相连而测量显示温度。用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路。而热电阻与检测仪表相隔一段距离,因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。它的外形与热电偶相似,使用时要注意避免用错。3、热电阻的引线形式热电阻的外引线有：（1）两线制配线简单、安装费用低。引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高的场合。电子信息工程系信息采集技术（2）三线制感温元件的一端两根引线，另一端一根引线。三线制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。测量精度高于二线制。工业检测中应用最广。（3）四线制感温元件的两端各连两根引线。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。电子信息工程系信息采集技术6.4.2铜电阻和热敏电阻1、铜电阻铜电阻：线性好、价格低廉、体积较大、热响应慢、易于氧化。工作温度范围：-40～120℃工业中常用。2、半导体热敏电阻工作温度范围：-50～350℃大多数热敏电阻仅适合于0～150℃。优点：灵敏度高、规格型号多、可远距离测量、体积小、响应速度快、耐冲击振动、可在恶劣环境下使用、价格低廉。缺点：非线性、互换性差、稳定性差。电子信息工程系信息采集技术6.5热电式测温方法6.5.1热电偶测温热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。在温度测量中占有重要的地位。特点：测量范围宽、测量精度高、性能稳定、构造简单、使用方便、动态响应好、输出直接为电信号、可以远传、便于集中检测和自动控制。1、测温原理两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路,当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。热电势由温差电势（汤姆逊电势）和接触电势（珀耳帖电势）两种电势组成。温差电势－－两端温度不同；接触电势－－两热电极材料不同。电子信息工程系信息采集技术与被测介质接触－－测量端、工作端、热端；保持恒定温度或室温－－参比端、参考端、冷端。实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。热电极材料需具有以下性能：⑴优良的热电特性；⑵优良的物理性能；⑶优良的化学性能；⑷优良的机械性能；⑸足够的机械强度和长的使用寿命；⑹价格比较便宜。电子信息工程系信息采集技术2、热电偶的分类及特性实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准热电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表。我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。表6-5、6为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。标准热电偶：S、R、B－－贵金属热电偶；K、N、T、E、J－－贱金属热电偶。选用；温度范围、使用环境的气氛。见下表：电子信息工程系信息采集技术测温范围优选选用-200～300℃TE＜1000℃K＜1300℃N、K1000～1400℃S、R1400～1800℃B＞1800℃钨錸系列3、热电偶的结构（1）普通工业用热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。电子信息工程系信息采集技术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。电子信息工程系信息采集技术为保证正常工作,其结构应满足以下要求:焊接要牢固、热电极间要良好绝缘、参比端与导线连接方便可靠、将有害介质隔开。（2）铠装热电偶铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图所示。它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是:测温范围宽(-200～160℃)、动态响应快、挠性好、可安装在结构复杂的装置上、使用寿命长、机械强度高、测温端热容量小、外径尺寸范围宽（0.25～8mm)、长度可达500mm、因此被广泛用在许多工业部门中。电子信息工程系信息采集技术4、热电偶温度测量（1）补偿导线A、改善热电偶测温线路的机械与物理性能。B、降低测量线路成本。注意：与热电偶匹配、接好极性；连接点的温度；两连接点温度必须相同；高精度测量时，加上补偿导线的修正值。电子信息工程系信息采集技术（2）参比端热电偶分度表，参比端为0℃条件下设定，工业现场不能使参比端保持0℃。智能化测温仪表普遍采用以软件为主的补偿方式。6.5.2集成温度传感器AD590电子信息工程系信息采集技术AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。2、AD590的测温范围为-50℃～+150℃。3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V～6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MΩ；可将输出电流转换成电压。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-50℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。6、外接线为两根，使用方便；具有互换性。电子信息工程系信息采集技术集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。电子信息工程系