传感器技术之温度的测量

第八章温度的测量第一节概述第二节热电偶温度计第三节热电阻温度计温度：表征物体冷热程度的物理量。第一节概述1．温度及其测量温度可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测量。温度的测量：目前国际上常用的表示温度高低的温标是摄氏温标和国际温标。第一节概述1.温度及其测量从测量体与被测介质接触与否划分：2．测温法分类基于热平衡原理，测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态。非接触式测温接触式测温接触式测温特点：简单、可靠、且测量精度高，但是由于测温元件需与被测介质接触进行热交换才能达到热平衡，因而产生了滞后现象。另外，由于受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。第一节概述2.测温法分类非接触式测温是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不需与被测介质接触，而是通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。非接触式测温特点：非接触式测温，由于测温元件不与被测介质接触，因而其测温范围广，其测温上限原则上不受限制，测温速度也较快，而且可以对运动体进行测量。但是，它受到物体的发射率、被测对象到仪表的距离、烟尘和水汽等介质的影响，一般测温误差较大。第一节概述2.测温法分类第二节热电偶温度计1．热电效应及测温原理两种不同材料的金属导线A和B串接，当t≠t0时，回路中就有电压或电流产生。实验表明，电压值随温度的升高将变大。回路中的电压或电流与两接点的温度有关，因此称为热电势或势电流。1.1一个简单的实验第二节热电偶温度计1.热电效应及测温原理◇热电效应：将任意两种不同材料的导体首尾依次相接构成一个闭合回路，当两触点温度不同时，在回路中产生热电势的现象。1.2几个概念◇热电偶：两种不同导体的组合。◇热电势：由于两触点温度不同而在回路中形成的电势。◇热电回路：两种不同导体所形成的回路。第二节热电偶温度计1.热电效应及测温原理1.3热电势的形成及测温原理热电势的形成：两种不同导体的性质电子扩散形成稳定的接触电势。形成电场——阻碍电子扩散热电势的影响因素：接触点的温度不同金属电子密度不同第二节热电偶温度计1.热电效应及测温原理两个电极闭合，构成一个热电回路，在两接点处形成两个方向相反的热电势。回路中总的热电势为：00,tetettEBAABAB00,tetettEABABAB或：将接触电势记作：eABA：正电极，B：负电极。teteBAAB第二节热电偶温度计1.热电效应及测温原理热电偶回路中总的热电势为两接点热电势的代数和。当热电极材料确定后，总热电势成为温度t0和t的函数。如果使冷端温度固定不变，则热电势就只是温度t的单值函数了。这样只要测出热电势的大小，就能判断出测点温度的高低。热电现象测温的基本原理：00,tetettEBAABAB第二节热电偶温度计1.热电效应及测温原理解：根据E(t,t0)=39.58mV，及热电偶的材料等已知条件，查热电偶分度表，结果为956.5℃。例：选用镍铬-镍硅热电偶测量某一热处理炉的炉温，毫伏表的示值为39.58mV，问炉温为多少。第二节热电偶温度计1.热电效应及测温原理2．热电回路的基本法则测量端和参比端温度为t和t1时，热电势为：2.1中间温度法则1,ttEAB测量端和参比端温度为t1和t0时，热电势为：01,ttEAB则，当温度为t和t0时，热电势为：0110,,,ttEttEttEABABAB第二节热电偶温度计2.热电回路的基本法则证明：两式相加，即可得证：11,tetettEABABAB0101,tetettEABABAB0110,,,ttEttEttEABABAB第二节热电偶温度计2.热电回路的基本法则中间导体或第三导体C存在时，此时共有三个接点，回路中的热电势为：2.2中间导体法则00,ttEteteEABABABABC第二节热电偶温度计2.热电回路的基本法则根据能量守恒原理，多种金属导体组成的闭合回路，只要各接点的温度相同，则回路中的总热电势为零，对于图中的回路，当t=t0时：证明：回路中的热电势为：00teteteECABCABABC0000teteteCABCAB000teteteCABCAB将上式代入，即可得证：第二节热电偶温度计2.热电回路的基本法则00,ttEteteEABABABABC结论：热电回路接入第三种材料导线，只要第三种材料两端温度相同，它的引入不会影响热电势。这一性质称为中间导体定律。从实用观点看，这条性质很重要。正是由于这一性质，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不用担心会对热电势有影响，而且也允许采用任意办法焊制热电偶。第二节热电偶温度计2.热电回路的基本法则◇若A和B是同一种金属，则无扩散可言。虽然t≠t0，热电偶回路内的总电势仍恒为零，即：2.3有关热电回路的几点结论0,0ttEAA◇若A和B不是同一种金属，然而两连接点处于同一温度，热电偶回路内的总电势亦恒为零，即：0,00ttEAB第二节热电偶温度计2.热电回路的基本法则◇回路中的热电势与热电极A、B及各中间导体C、D、等的中间温度无关，而只与接点温度有关；◇当温度为t1、t2时，用导体A、B组成的热电偶的热电势等于AC和CB热电偶的热电势之代数和，即：212121,,,ttEttEttECBACAB第二节热电偶温度计2.热电回路的基本法则3．热电偶的种类根据热电效应，只要是两种不同性质的任何导体都可配制成热电偶，但是在实际情况下，并不是所有材料都可以成为有价值的热电极材料，因为还要考虑到灵敏度、准确度、可靠性、稳定性等条件。我国广泛使用的标准化热电偶主要有：铂铑-铂热电偶——分度号S镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶——分度号K镍铬-考铜热电偶——分度号XK铂铑30-铂铑6热电偶——分度号B第二节热电偶温度计3.热电偶的种类◇铂铑-铂热电偶由直径为0.5mm的纯铂丝和相同直径的铂铑丝制成，分度号S。第二节热电偶温度计3.热电偶的种类热电偶在1300℃以下范围内可长时间使用，在良好的使用环境下可短期测量1600℃的高温。铂铑-铂热电偶灵敏度低，线性度一般，复制精度和测量的准确度较高，可用于精密温度测量和作标准热电偶。主要缺点是热电势较弱，在高温时易受还原气体侵害而变质，从而引起热电偶特性的变化，失去测量准确性。◇镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶热电偶的分度号为K，热电极的直径一般为1.2~2.5mm。第二节热电偶温度计3.热电偶的种类热电偶化学稳定性较高，可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下温度，短期测量可达到1300℃；如果用于还原性介质中，则会很快受到腐蚀。热电偶线性最好，并具有复制性好、热电势大、价格便宜等优点。虽然测量精度偏低，但完全能满足工业上的测量要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。◇镍铬-考铜热电偶热电偶的分度号为XK，热电极的直径一般为1.2~2mm。第二节热电偶温度计3.热电偶的种类适用于还原性或中性介质，长期使用温度不超过600℃，短期使用可达800℃。热电偶的特点为灵敏度高、价格便宜，但测量范围低且窄，考铜合金丝易受氧化。◇铂铑30-铂铑6热电偶热电偶以铂铑30丝（铂70%，铑30%）为正极，铂铑6丝（铂94%，铑6%）为负极。分度号B。第二节热电偶温度计3.热电偶的种类热电偶性能稳定、精度高，适用于氧化性和中性介质的温度测量。可长期测量1600℃的高温，短期可测1800℃。缺点为产生的热电势小，且价格昂贵。图示：热电势与温度的关系曲线第二节热电偶温度计3.热电偶的种类4．热电偶的冷端温度补偿用热电偶测温时，热电势的大小决定于冷热端温度之差。如果冷端温度固定不变，则决定于热端温度。可是如果冷端温度是变化的，将会引起测量误差。为此，常采用一些措施来除冷端温度变化所产生的影响，即进行热电偶的冷端温度补偿。热电偶冷端温度补偿必要性：第二节热电偶温度计4.热电偶的冷端补偿一般热电偶定标时，冷端温度是以0℃为标准。因此，常常将冷端置于冰水混合物中，使其温度保持为恒定的0℃。在实验室条件下，通常是将冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水化合物的保温容器中，使冷端保持为0℃。4.1冷端恒温法第二节热电偶温度计4.热电偶的冷端补偿热电偶的温度热电势关系曲线是在冷端温度为0℃的情况下得到的，与它配套使用的测量电路或显示仪表根据这一关系曲线进行刻度，冷端温度不等于0时，就需要对仪表指示值加以修正。4.2冷端温度校正法0,,0,00tEttEtE第二节热电偶温度计4.热电偶的冷端补偿例如，冷端温度高于0℃，但恒定于t0℃，为求得真实温度，可以利用中间温度法则用下式进行修正：为了使热电偶冷端温度保持恒定，一般用一种称为补偿导线的连线将热电偶冷端延伸出来。这种导线在一定温度（0~150℃）范围内应和所连接的热电偶具有相同的热电性能。4.3补偿导线法第二节热电偶温度计4.热电偶的冷端补偿说明：◇只有当新移的冷端温度恒定或配用仪表本身具有冷端温度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。◇热电偶和补偿导线连接端所处的温度一般不应超过150℃，否则也会由于热电特性不同带来新的误差。第二节热电偶温度计4.热电偶的冷端补偿补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。补偿电桥现已标准化。4.4补偿电桥法第二节热电偶温度计4.热电偶的冷端补偿适当选择Rs的数值，可使电桥产生的不平衡电压ΔU在一定温度范围内基本能够补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化值。这样，当冷端温度有一定变化时，仪表仍然能给出正确的温度示值。第二节热电偶温度计4.热电偶的冷端补偿5．热电偶的实用测温电路实用测温电路的组成：热电极补偿导线热电势检测仪表（动圈式表头、毫伏电压表、电位差计、数字电压表等）第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路5.1测量某点温度的基本电路只要热电极和补偿导线的两个接线端的温度相同，例如都为t1，则对测量精度无影响。第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路为了保证流过动圈的电流与热电势有严格的对应关系，回路的总电阻应为定值。然而，由于动圈本身是由铜导线绕制的，因此环境温度变化引起的阻值变化ΔRi将会引起回路电流的变化，进而引起相应的示值误差Δt，因此需对动圈电阻进行补偿。动圈式仪表测量线路第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路5.2测量两点之间温差的基本电路两支同型号热电偶配用相同的补偿导线对接，若t1≠t2，可测得两点的温差：210202210201,,,,,,ttEttEttEttEttEttEEABABABABABAB第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路5.3测量若干点平均温度的测量电路◇并联电路并联电路中，输入到仪表两端的毫伏值为三个热电偶输出热电势的平均值。如果三个热电偶均工作在特性曲线的线性部分时，则代表了各点温度的算术平均值。第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路并联电路的特点：仪表的分度仍然和单独配用一个热电偶时一样，但当某一热电偶烧断时不能很快被发现。第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路◇串联电路在串联电路中，输入到仪表两端的电势为两个热电偶产生的热电势之和。可直接从仪表读出平均值。电路的特点：热电偶烧坏可立即知道，另外可获得较大的热电势。第二节热电偶温度计5.热电偶的实用测温电路说明：热电偶在使用前或使用中都需进行校验，也称定标或标定。热电偶标定的目的是核对标准热电偶的热电势-温度关系是否符合标准，或是确定非标准热电偶的热电势-温度标定曲线，也可以通过标定消除测量系统的系统误差。标定方法有定点法和比较法。定点法：利用纯物质的沸点或凝固点作为温度标准；比较法：将高一级的标准热电偶与被标定热电偶放在同一温度的介质中，并