溫度檢測與儀表

1、第二章 溫度檢測與儀表,第一節(jié) 溫標及測溫方法 第二節(jié) 熱電偶溫度計第三節(jié) 電阻溫度計第四節(jié) 輻射溫度計 第五節(jié) 測溫儀表的選擇及安裝 第六節(jié) 新型溫度傳感器 第七節(jié) 工業(yè)特殊測溫技術(shù),第一節(jié)溫標及測溫方法,一、溫標 溫度的數(shù)值表示稱為溫標。它利用一些物質(zhì)的“相平衡溫度”作為固定點刻在“標尺”上，而固定點中間的溫度值則是利用一種函數(shù)關(guān)系(內(nèi)插函數(shù)或稱為內(nèi)插方程)來描述。各類溫度計的刻度均由溫標確定。溫標三要素：溫度計、

2、固定點和內(nèi)插方程。溫標不是溫度標準(Temperature Standard)，而是溫度標尺(Temperature Scale)的簡稱。國際上規(guī)定的溫標有很多種，最常用的是華氏溫標(美國)、攝氏溫標、熱力學溫標等。,幾種溫標間的換算關(guān)系,攝氏度=5(華氏度-32)/9攝氏度=開氏度-273.15攝氏度=5蘭氏度/9-273.15攝氏度=1.25列氏度====================華氏度= 1.8攝氏度+32

3、華氏度= 1.8開氏度-459.67華氏度=蘭氏度-459.67華氏度=2.25列氏度+32====================開氏度=攝氏度+273.15開氏度= 1.25列氏度+273.15開氏度= 5(華氏度-32)/9 +273.15開氏度= 5蘭氏度/9,熱力學溫標/開氏溫標/絕對溫標(K),熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎(chǔ)上的最科學的溫標，是由開爾文(Kelvin)根據(jù)熱力學定律提出來的，因此又稱開氏溫

4、標，其起點為絕對零度，故又稱絕對溫標。它的符號是T，單位是開爾文(K)。,威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像,國際實用溫標(IPTS-90/ITS-90),國際實用溫標(international practical temperature scale)也稱國際溫標，是一種國際協(xié)議性溫標，它與熱力學溫標接近，且復現(xiàn)精度高，使用方便。國際計量委員會第18界國際計量大會(CGPM)第七號決議，授權(quán)予1989年會議通過“1990國

5、際溫標ITS-90”，并從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用【我國1994.1.1開始全面實施】。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標準儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K(0.01?C)等。,二、測溫方法及分類,測溫方法很多種，可分為：按測量方法可分為接觸式和非接觸式；按工作原理可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等；按用途分，有基準溫度計和工業(yè)溫度計。,

6、應(yīng)用熱膨脹原理測溫,測量原理,物體受熱時產(chǎn)生膨脹,液體膨脹式溫度計,固體膨脹式溫度計,玻璃管溫度計,雙金屬溫度計,體積熱膨脹式,不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。,,氣體的體積與熱力學溫度成正比,,,,接觸式：測溫元件與被測對象接觸，依靠傳熱和對流進行熱交換。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測溫精度較高。缺點：由于測溫元件與被測對象必須經(jīng)過充分的熱交換且達到平衡后才能測量，這樣容易破壞被測對象的溫度場，同時帶來測溫過程的延遲現(xiàn)象，不適于測

7、量熱容量小的對象、極高溫的對象、處于運動中的對象。不適于直接對腐蝕性介質(zhì)測量。,非接觸式：測溫元件不與被測對象接觸，而是通過熱輻射進行熱交換，或測溫元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能大小推出被測對象的溫度。優(yōu)點：從原理上講測量范圍從超低溫到極高溫，不破壞被測對象溫度場。非接觸式測溫響應(yīng)快，對被測對象干擾小，可用于測量運動的被測對象和有強電磁干擾、強腐蝕的場合。缺點：容易受到外界因素的干擾，測量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復雜，價格比較昂

8、貴。,第二節(jié) 熱電偶溫度計,熱電偶是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小等特點，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換。熱電偶可用來測量流體、固體以及固體壁面的溫度，微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。,賽貝克實驗與賽貝克效應(yīng)(熱電效應(yīng)),1821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點，發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點

9、同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小?！窘Y(jié)論】指南針的偏轉(zhuǎn)說明：不同金屬組成閉合回路時，回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。,一、熱電偶測溫原理,熱電偶溫度計是根據(jù)熱電效應(yīng)工作的。當兩種不同的導體或半導體材料A和B組成閉合回路(如下圖)，如果兩個結(jié)合點處的溫度不相等，則回路中就會有電流產(chǎn)生。也就是回路中會有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)，該效應(yīng)首先由賽貝克發(fā)現(xiàn)，故也稱賽貝克效應(yīng)。,回路中所產(chǎn)生的電動勢

10、，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。,熱電偶原理圖,T,T0,A,B,冷端,熱端,自由端,工作端,熱電偶有關(guān)術(shù)語,兩種不同的導體或半導體材料A和B組成閉合回路，如果兩個結(jié)合點處的溫度不相等，則該回路中就會有電動勢產(chǎn)生，稱該現(xiàn)象為熱電效應(yīng)?；芈分兴a(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢。稱導體A,B為熱電極。其中一個接點通常是焊接在一起被置于測溫場感受被測溫度，稱為測量端、熱端或工作端；而另一個接點遠離測量端，且要求溫度恒定，稱為

11、自由端、冷端或參比端。,(一)接觸電勢,電子密度不同的導體或半導體材料相互接觸時，在其接點處產(chǎn)生電勢，該電勢主要取決于兩種材料的性質(zhì)和接觸面溫度的高低：,式中 NA(T)和NB(T) — 材料A和B在溫度T時的電子密度； e —單位電荷，4.802×10-10絕對靜電單位； K —波爾茲曼常數(shù)，1.38×

12、;10-23J/℃； T —材料溫度，K。,NA>NB,(二)溫差電勢,由于兩端溫度不同，在導體或半導體材料兩端產(chǎn)生電勢，溫差電勢的方向是由低溫端指向高溫端，其大小與材料兩端溫度和材料性質(zhì)有關(guān) ：,式中 N—材料的電子密度，是溫度的函數(shù)； T,T0—材料兩端的溫度； t—沿材料長度方向的溫度分布。,,E(T,T0),(三)熱電偶閉合回路的

13、總熱電動勢,閉合回路總熱電動勢應(yīng)為接觸電勢和溫差電勢的代數(shù)和，即 ：,結(jié)論：(1)只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，且兩端溫度必須不同；(2)熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的大小尺寸及沿程溫度分布無關(guān)。,二、 熱電偶的基本定律(性質(zhì)),(一)均質(zhì)材料定律 由一種均質(zhì)材料組成的閉合回路，不論沿材料長度方向各處溫度如何分布，回路中均不產(chǎn)生熱電勢。它要求組成熱電偶的兩種材料A 和B必須

14、各自都是均質(zhì)的，否則會由于沿熱電偶長度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加熱電勢，引入不均勻性誤差。因此在進行精密測量時要盡可能對電極材料進行均勻性檢查和退火處理。該定律是同名極法檢定熱電偶的理論根據(jù)。,(二)中間導體定律,在熱電偶測溫回路中插入第三種(或多種)導體(如圖中導體C)，只要其兩端溫度相同，則熱電偶回路的總熱電勢與串聯(lián)的中間導體無關(guān)【證明請參考教材2.2.2.2節(jié)】。應(yīng)用：金屬熔體溫度與金屬表面溫度測量。,(三)中間溫度定律,在熱

15、電偶測溫回路中，測量端的溫度為T，連接導線各端點的溫度分別為Tn和T0(見圖)，如A與A’，B與B’的熱電性質(zhì)相同，則總的熱電動勢等于熱電偶的熱電動勢EAB(T,Tn)與連接導線的熱電動勢EA’ B’ (Tn ,T0)的代數(shù)和，其中Tn為中間溫度，即 EABB’A’(T,Tn,T0)= EAB(T,Tn)+ EA’B’ (Tn,T0) = EAB(T,Tn)+ EAB (

16、Tn,T0),中間導體定律和中間溫度定律是工業(yè)熱電偶測溫中應(yīng)用補償導線的理論依據(jù)。,(四)參考電極定律,兩種導體A，B分別與參考電極C(標準電極)組成熱電偶(如圖)，如果它們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，那么，A與B兩熱電極配對后的熱電動勢可按下式求得：EAB(t,t0)= EAC(t,t0)+ ECB(t,t0),人們多采用高純鉑絲作為參考電極，這樣可大大簡化熱電偶的選配工作。,三、熱電偶結(jié)構(gòu),典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)如圖所示。它一般由熱電極

17、、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。,熱 電 極：一般金屬φ0.5~3.2mm，昂貴金屬φ0.3~0.6mm，長度與被測物有關(guān)，一般在300~2000mm，通常在350mm左右。絕 緣 管：隔離熱電偶與被測物，一般在室溫下要5MΩ以上。保護套管：避免受被測介質(zhì)的化學腐蝕或機械損傷。接 線 盒：固定接線座，連接補償導線。,熱電極材料要求

18、,(1) 應(yīng)輸出較大的熱電勢，以得到較高的靈敏度，且要求熱電勢E(t)和溫度t之間盡可能地呈線性函數(shù)關(guān)系；(2) 能應(yīng)用于較寬的溫度范圍，物理化學性能、熱電特性都較穩(wěn)定。即要求有較好的耐熱性、抗氧性、抗還原、抗腐蝕等性能；(3) 要求熱電偶材料有較高的導電率和較低的電阻溫度系數(shù)；(4) 具有較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)。具有滿意的復現(xiàn)性，便于采用統(tǒng)一的分度表。,普通裝配型熱電偶的外形,安裝螺紋,,安裝法蘭,,普通裝配型熱電偶結(jié)構(gòu),

19、接線盒,,引出線套管,,固定螺紋 (出廠時用塑料包裹),熱電偶工作端(熱端),,,不銹鋼保護管,,四、熱電偶的分類,(一)標準熱電偶 國際電工委員會(IEC)推薦的工業(yè)用標準熱電偶為八種(目前我國的國家標準與國際標準統(tǒng)一)： B 、R、S、K、N、E、J、T 。S、R、B三種熱電偶均由鉑和鉑銠合金制成，稱貴金屬熱電偶。K、N、T、E、J五種熱電偶，是由鎳、鉻、硅、銅、鋁、錳、鎂、鈷等金屬的合金制成，稱為廉價金屬熱電偶。工業(yè)

20、用標準熱電偶基本性能見表2-1。,表2-1 工業(yè)用熱電偶測溫范圍,(二)非標準化(特殊)熱電偶,1、鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)：將熱電偶絲用無機物絕緣及金屬套管封裝，壓實成可撓的堅實組合體(如圖)。特性：慣性?。粨闲?、機械強度及耐壓性能好。適用場合：可用于快速測溫或熱容量很小的物體的測溫部位，結(jié)構(gòu)堅實可耐強烈的振動和沖擊，還可用于高壓設(shè)備上測溫。,1-金屬套管；2-絕緣材料；3-熱電極,鎧裝型熱電偶外形,法蘭,,鎧裝型熱電偶可 長達上百

21、米,薄壁金屬 保護套管(鎧體),B,A,絕緣 材料,,,鎧裝型熱電偶橫截面,,2、快速微型熱電偶,特性：測溫元件小，響應(yīng)速度快，無需定期維修，準確度較高；適用場合：高溫熔體(鋼水、鐵液等金屬熔體)的溫度測量。目前我國有兩類快速熱電偶，即快速鉑銠熱電偶與快速鎢錸熱電偶。,1-外保護帽；2-U形石英管；3-外紙管；4-絕熱水泥；5-熱電偶自由端；6-棉花；7-絕熱紙管；8-小紙管；9-補償導線；10-塑料插件,3、薄膜式熱電偶,結(jié)構(gòu)特

22、點：采用真空蒸鍍或化學涂層等制造工藝將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上，形成薄膜狀熱電偶，其熱端接點極薄，約0.01~0.1µm。適用場合：適于壁面溫度≤300℃的快速測量。,1-熱電極；2-工作端；3-絕緣基板；4-引出線,4、鎢錸系熱電偶,鎢錸熱電偶是最成功的難熔金屬熱電偶，可以測到2400~2800℃高溫。它的特點是在高溫下易氧化，只能用于真空和惰性氣氛中。熱電勢率大約為S型的2倍，在2000℃時的熱電勢接近30mV

23、，價格僅為S型的1/10。WRe熱電偶已成為冶金、材料、航天、航空及核能等行業(yè)中重要的測溫工具。,五、熱電偶冷端溫度補償,為什么要進行冷端溫度補償?(1)根據(jù)熱電偶測溫原理【E(t,t0)＝f(t)－f(t0)】，只有當參比端溫度t0穩(wěn)定不變且已知時，才能得到熱電勢E和被測溫度t的單值函數(shù)關(guān)系。(2)實際使用的熱電偶分度表中熱電勢和溫度的對應(yīng)值是以t0=0℃為基礎(chǔ)的，但在實際測溫中由于環(huán)境和現(xiàn)場條件等原因，參比端溫度t0往往不穩(wěn)

24、定，也不一定恰好等于0℃，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。常用的冷端補償方法有如下幾種。,(一)零度恒溫法(冰浴法),這是一種精度最高的處理方法，可以使t0穩(wěn)定地維持在0℃。將碎冰和純水的混合物放在保溫瓶中，再把細玻璃試管插入冰水混合物中，在試管底部注入適量的油類或水銀，熱電偶的參比端就插到試管底部，滿足t0=0℃的要求。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,mV,,,,A’B’,T,儀表,銅導線,試管,補償導線

25、,熱電偶,冰點槽,冰水溶液,,,,,,,,,AB,(二)計算修正法,原理：在沒有條件實現(xiàn)冰點法時，可以設(shè)法把參比端置于已知的恒溫條件，得到穩(wěn)定的t0，故可根據(jù)分度表查得E(t0,0)；根據(jù)中間溫度定律公式計算得到E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)。然后根據(jù)所測得的熱電勢E(t,t0)和查到的E(t0,0)二者之和再去查熱電偶分度表，即可得到被測量的實際溫度t。,例1：用銅-康銅熱電偶測某一溫度t，參比端在室溫環(huán)境tn中，測得

26、熱電動勢E(t,tn)=1.999mV，又用室溫計測出tn=21℃，求實際溫度t。解：查T分度號表得E(21,0)=0.830mV，故：E(t,0)= E(t,21)+E(21,0) =1.999+0.830=2.829(mV)再次查分度表，得實際溫度t=68℃。注意：分度表中68℃對應(yīng)2.820mV，69℃時的熱電勢為 2.864mV，實際溫度應(yīng)采用插值法計算出來。,(三)冷端補償器法,結(jié)構(gòu)特點：R1=R2

27、=R3=1Ω，采用錳銅絲無感繞制，其電阻溫度系數(shù)趨于零。R4用銅絲無感繞制，其電阻溫度系數(shù)約為4.3×10-3℃-1，當溫度為0℃時R4=1Ω，R1-4組成不平衡電橋(補償器)。儀表輸入端電壓為熱電勢EAB(t,t0)與電橋不平衡電勢Uba之和，即 E＝E(t,t0)+Uba。,冷端補償器補償原理,補償原理：不平衡電動勢Uba補償(抵消)熱電偶因冷端溫度波動引起的誤差。過程如下：,t0?,E(t,t0)?,R4?,,Ua?,,

28、Uba?,,,只要冷端補償器電路設(shè)計合理，使Uba的增加值恰等于E(t,t0)的減少量，那么指示儀表所測得的總電勢E＝E(t,t0)+Uba將不隨t0而變，相當于熱電偶參比端自動處于0℃。,,,,E=E(t,t0)?+ Uba?,(四)補償導線法,補償導線是在一定溫度范圍內(nèi)(包括常溫)具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線。用它們連接熱電偶與測量裝置，從而可將熱電偶的參比端移到離被測介質(zhì)較遠且溫度比較穩(wěn)定的場合

29、，以免參比端溫度受到被測介質(zhì)的熱干擾。,t0’變化頻繁t0較為穩(wěn)定,1、補償導線類型,(1)按結(jié)構(gòu)可分為普通型和帶屏蔽層型；(2)按補償原理分為補償型及延伸型兩種；(3)按使用溫度可分為一般用(0～100℃)和耐熱用(0～150℃)；(4)按精度可分為普通級與精密級。,2、補償導線作用,(1)用廉價的補償導線作為貴金屬熱電偶的延長導線，以節(jié)約貴金屬熱電偶；(2)將熱電偶的參比端遷移至離被側(cè)對象較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，有利于

30、參比端溫度的修正和測量誤差的減少；(3)用粗直徑和導電系數(shù)大的補償導線作為熱電偶的延長線，可減小熱電偶回路電阻，以利于動圈式儀表的正常工作。,3、補償導線的使用,(1)各種補償導線只能與相應(yīng)型號的熱電偶用； (2)使用時必須各級相連，切勿將其極性接反；(3)熱電偶和補償導線連接點的溫度不能超過規(guī)定的使用溫度范圍，規(guī)定為0~100℃及 0~150℃兩種。,(五)儀表機械調(diào)零法(現(xiàn)場近似法),在不需精確測量的前提下，且熱電

31、偶冷端溫度較為穩(wěn)定，可將顯示儀表的機械零點先調(diào)整到t0℃(按溫度刻度)或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度)，從而實現(xiàn)近似補償，參見下圖。該法常見于動圈式儀表中。,指針被預(yù)調(diào)到冷端溫度(40 ?C ),六、熱電偶測溫線路,(一)單點測溫基本線路,5,3,2,1,,1—熱電偶；2—補償導線；3—銅導線；4—溫度補償電橋；5—顯示儀表,,,,,,,,,,,,,,,4,(二)多點測溫基本線路,1—工作端熱電偶； 2—工作端補償導線；

32、 3—接線板； 4—銅導線； 5—切換開關(guān)； 6—數(shù)字顯示儀； 7—參比端補償導線； 8—參比端熱電偶,(三)兩點溫度差的測量,若熱電動勢E與溫度T呈線性關(guān)系，則t=T1-T2。,t,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,B,A,A,B,A’,A’,B’,E=E1－E2,E1,E2,T1,T2,(四)多點平均溫度的測量,t,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

33、,,,,三個熱電偶工作在線性區(qū)時代表著平均溫度。每個熱電偶需串聯(lián)較大電阻，且分度與單個熱電偶一樣。某一熱電偶壞了不易及時發(fā)現(xiàn)。,B,A,B,A,B,A,T1,T2,T3,(五)多點溫度和測量,t,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三個熱電偶工作在線性區(qū)時代表著多點溫度之和。任一熱電偶燒壞都可立即知道，且可得到較大的電動勢。每一熱電偶引出的補償導線必須接到儀表的冷端處。,B,A,B,A,

34、B,A,T1,T2,T3,第三節(jié)電阻溫度計,一、熱電阻測溫原理 電阻溫度計工作原理就是當溫度變化時，感溫元件的電阻值隨溫度而變化，將變化的電阻值作為電信號輸入顯示儀表，通過測量電路的轉(zhuǎn)換，在儀表上顯示出溫度的變化值。(一)鉑熱電阻 采用高純度鉑絲繞制成。具有測溫精度高、性能穩(wěn)定、復現(xiàn)性好、抗氧化性強等優(yōu)點，是低溫測溫標準儀器。,繞制鉑電阻感溫元件的鉑絲純度是決定溫度計精度的關(guān)鍵：(1)鉑絲純度愈高其穩(wěn)定性、復現(xiàn)性越好、測溫

35、精度也愈高；(2)鉑絲純度常用R100/R0表示，R100和R0分別表示100℃和0℃條件下的電阻值。對于標準鉑電阻溫度計，規(guī)定R100/R0 > 1.3925；對于工業(yè)用鉑電阻溫度計，根據(jù)ITS-90，R100/R0=1.3851~1.3925。,鉑電阻的電阻-溫度關(guān)系,-200℃≤t≤0℃: Rt= R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] 0℃≤t≤850℃: Rt= R0 [1+At+Bt2]

36、 當R100/R0=1.3851時，A=3.9083×10-3(℃-1); B=-5.775×10-7(℃-2); C=-4.183×10-12(℃-4) 鉑電阻的分度號及允許誤差表,(二)銅熱電阻,在準確度要求不高，且溫度較低的場合，可采用銅電阻測溫。測溫范圍為-50~150℃，分度號為Cu50和Cu100，在0℃時R0的阻值分別為50Ω和100Ω。銅電阻電阻溫度系數(shù)較大，

37、價格便宜，但電阻率低，體積大，熱慣性較大。銅電阻阻值-溫度關(guān)系(ITS-90)為：Rt= R0 [1+At+Bt(t-100)+ Ct2 (t-100)] 式中A=4.280×10-3(℃-1); B=-9.31×10-8(℃-2); C=1.23×10-9(℃-3)。銅熱電阻的允許誤差為：±(0.30+0.006|t|),(三)其他熱電阻,1、鎳熱電阻

38、特點：電阻溫度系數(shù)較鉑大，約為鉑的1.5倍。在-50～150℃內(nèi)，其電阻與溫度關(guān)系為 Rt=100+0.5485t+0.665×10-3t2+2.805×10-9t4,2、半導體熱敏電阻,半導體熱敏電阻的電阻值隨溫度呈指數(shù)變化。在許多場合下(-40~350℃)，它已經(jīng)取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。 電阻可以根據(jù)需要做成各種形狀，由于體積可以做得很小，熱慣性小，適合快速測溫；電阻溫度系數(shù)大，靈敏度較高；

39、電阻值高，在使用時連接導線電阻所引起的誤差可以忽略；功耗小，適于遠距離的測量與控制。但它的穩(wěn)定性和互換性較差。 根據(jù)材料組成的不同，熱敏電阻的溫度特性也不一樣。按其溫度特性有負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC、正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和臨界溫度熱敏電阻CTR。,二、熱電阻的結(jié)構(gòu),工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu),直徑1 mm的銀絲或鍍銀銅絲,云母、石英或陶瓷塑料,雙線無感繞法,外接線路相連,電阻絲和電阻支架,三、熱電阻測溫線路,熱電阻溫度計的測量電路最常

40、用的是電橋電路，其測量原理圖如圖所示。圖中從熱電阻體的一端各引出一根連接導線，共兩根導線，這種方式稱為兩線制接法。將熱電阻及其連接導線作為電橋的一臂，利用該不平衡電橋?qū)犭娮枳柚缔D(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電勢，再送入顯示(或控制)儀表G。,內(nèi)引線(白),內(nèi)引線(紅),熱電阻絲,E,(a)原理圖 (b) 內(nèi)部引線方式二線制接法引線方式,,,Rt,,G,R1,R2,R3,,,,,,,,,,,,,

41、,,,外接線端,,,內(nèi)焊接點,,,,優(yōu)缺點？,三線制熱電阻引線方式及測溫電橋接法,(a) 內(nèi)部引線方式 ;(b) 接法一;(c) 接法二,優(yōu)缺點？,自熱效應(yīng)與電路設(shè)計,四線制熱電阻引線方式及測溫電橋接法,(a) 內(nèi)部引線方式；(b) 測量橋路及其等效電路,優(yōu)缺點,第四節(jié) 輻射溫度計,任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部

42、分輻射，稱為熱輻射。而把能對被測物體熱輻射能量進行檢測，進而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計。輻射式溫度計的感溫元件不需和被測物體或被測介質(zhì)直接接觸。輻射測溫方法廣泛應(yīng)用于900℃以上的高溫區(qū)測量中，近年來隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，測溫的下限已下移到常溫區(qū)，大大擴展了非接觸式測溫的使用范圍。,一、輻射測溫原理,(一)普朗克定律 普朗克定律闡明了絕對黑體的輻射強度E0l與溫度T及波長l的關(guān)系：,式中l(wèi)—由物體發(fā)出的輻射波長

43、，m； C1—普朗克第一輻射常數(shù)，為3.742×10-16W·m2； C2—普朗克第二輻射常數(shù)，1.438×10-2m·K； T—物體的絕對溫度，K。對于灰體，有El= e E0l， 其中0<e ≤1 為灰體的輻射率，或稱黑度系數(shù)。,(二)維恩公式,溫度在3000K以下，即C2/(lT) ??1時，普朗克公式可用如下的維恩公式代替：

44、,(三)斯忒潘—玻耳茲曼定律,單位時間內(nèi)單位表面積向其上的半球空間的所有方向輻射出去的全部波長范圍內(nèi)的能量稱為輻射力(emissive power)，其單位為W／m2。斯忒潘—玻耳茲曼定律建立了物體總的輻射力E與熱力學溫度T間的定量關(guān)系，即：E=seT4式中 s— 斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，即黑體輻射常數(shù)，其值為5.6697×10-8W?m-2?K-4 。,輻射測溫原理及有關(guān)問題,由上面有關(guān)公式可知，在一定波長下，測量物體的

45、輻射強度，可推算出其溫度，這就是輻射溫度計測溫的基本原理。由測量原理可知，在輻射式測溫中必須解決以下三個基本問題：(1)怎樣測量輻射強度?(2)怎樣保證測量在一定波長(單色光)下進行?(3)測量結(jié)果中如何考慮輻射率ε的影響?,二、亮度高溫計,依據(jù)物體光譜輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關(guān)系，可以測出物體的溫度。類型：光學高溫計；光電高溫計；硅輻射溫度計。,(一)亮度與亮度溫度,物體在高溫狀態(tài)下會發(fā)光，當溫度高于700℃就會

46、明顯地發(fā)出可見光，具有一定的亮度。由維恩公式可知，絕對黑體在波長l一定(通常選l =0.66μm)時，輻射強度El就只是溫度的單值函數(shù)了。因為各物體的發(fā)射率不同，即使它們的亮度相同，但實際溫度并不同。因此，按某物體溫度刻度的溫度計不能用來測量發(fā)射率不同的其他物體的溫度。為了解決上述問題，儀表將按黑體的溫度刻度，故引入亮度溫度TL的概念。,亮度溫度,若某物體的輻射亮度E(l,T)與溫度為TL的絕對黑體的亮度E0(l,TL)相等，則

47、稱TL為這個物體在波長為l時的亮度溫度。 即E(l,T)= ?E0(l,T)= E0(l,TL) 從而可得被測物體實際溫度T和亮度溫度TL之間的關(guān)系：,亮度溫度總是低于真實溫度： TL <T 。,(二)光學高溫計,特點：結(jié)構(gòu)較簡單，使用方便，適用于1000～3500K范圍的溫度測量，其精度通常為1.0級和l.5級，可滿足一般工業(yè)測量的精度要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測量。用光學高溫計測量被測物體的溫度時，讀

48、出的數(shù)值將不是該物體的實際溫度，而是這個物體此時相當于絕對黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。,光學高溫計通常采用0.66±0.01μm的單一波長，將物體的光譜輻射亮度Ll 和標準光源的光譜輻射亮度進行比較，確定待測物體的溫度。光學高溫計有三種形式：燈絲隱滅式光學高溫計恒定亮度式光學高溫計光電亮度式光學高溫計,1、燈絲隱滅式光學高溫計,原理：由人眼對熱輻射體和高溫計燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進行判斷，調(diào)節(jié)燈泡的

49、亮度使其在背景中隱滅或消失而實現(xiàn)溫度測量的。其原理示意圖及使用時燈絲亮度調(diào)整圖如下所示：,1-物鏡1;2-吸收玻璃;3-標準燈;4-目鏡;5-濾光片;6-毫伏表;7-滑線電阻器,(a)燈絲太暗；(b)燈絲太亮；(c)隱絲(正確),2、光電高溫計,光學高溫計在測量物體溫度時，是由人的眼睛來判斷亮度平衡狀態(tài)，帶有測量人的主觀性，同時由于測量溫度是不連續(xù)的，使得難以做到被測溫度的自動記錄。光電高溫計用光電器件作為敏感元件感受輻射源的

50、亮度變化，并將其轉(zhuǎn)換成與亮度成比例的電信號，再經(jīng)過電子放大器放大，最后輸出被測溫度值，并自動記錄下來。由于反饋燈和光電器件的特性有較大的分散性，使器件互換性差，因此在更換反饋燈和光電池時需要重新進行校準和分度。,(a)工作原理示意圖 (b)光調(diào)制器光電高溫計工作原理圖 1-物鏡; 2-光柵; 3,5-孔; 4-光電器件; 6-遮光板;7-調(diào)制片;8-永久磁鋼;9-激磁繞組;10-透鏡;1

51、1-反射鏡;12-觀察孔;13-前置放大器;14-主放大鏡;15-反饋鏡;16-電子電位差計;17-被測物體,光電高溫計與光學高溫計相比，主要優(yōu)點有：靈敏度高；精確度高；使用波長范圍不受限制；光電探測器的響應(yīng)時間短；便于自動測量與控制。,三、比色高溫計,絕對黑體輻射的兩個波長l1和l2的亮度比等于被測輻射體在相應(yīng)波長下的亮度比時，絕對黑體的溫度就稱為這個被測輻射體的比色溫度。絕對黑體，對應(yīng)于波長l1和l2的光譜輻射亮度

52、之比R，可用下式表示：,根據(jù)比色溫度的定義，應(yīng)用維恩公式，可導出物體的真實溫度T和其比色溫度TR的關(guān)系： 通常l1和l2為比色高溫計出廠時統(tǒng)一標定的定值，由制造廠家選定。例如選0.8mm的紅光和lmm的紅外光。,比色法光學測溫的特點,(1)由于光譜發(fā)射率與波長的關(guān)系，比色溫度可以小于、等于或大于真實溫度。對于灰體，當el1=el2≠1時，同樣可能出現(xiàn)T= TR，這是比色溫度計最大優(yōu)點。由此，波長的選擇是決定該

53、儀表準確度的重要因素。(2)中間介質(zhì)如水蒸氣，二氧化碳、塵埃等對l1和l2的單色輻射均有吸收，盡管吸收率不一定相同，但對單色輻射亮度的比值R的影響相對會減小。,與光譜輻射溫度計相比，比色高溫計的準確度通常較高、更適合在煙霧、粉塵大等較惡劣環(huán)境下工作。,WDS-II光電比色高溫計原理圖1-物鏡組； 2-通孔成像鏡； 3-調(diào)制盤； 4-同步電機；5-硅光電池接收器； 6-目鏡； 7-倒像鏡； 8-反射鏡,比色式溫度傳感器溫

54、度非接觸測量中的應(yīng)用,比色式溫度傳感器采用比色式(雙波段)測溫原理實現(xiàn)對被測目標的非接觸測溫，用戶不需知道物質(zhì)的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準 ,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調(diào)焦就可準確測量。,,,比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應(yīng)用現(xiàn)場。,四、輻射溫度計,輻射溫度計是根據(jù)全輻射定律，基于被測物體的輻射熱效應(yīng)進行工

55、作的。輻射溫度計由輻射敏感元件、光學系統(tǒng)、顯示儀表及輔助裝置等幾大部分組成。輻射溫度計與光學高溫計一樣是按絕對黑體進行溫度分度的，因此用它測量非絕對黑體的具體物體溫度時，儀表上的溫度指示值將不是該物體的真實溫度，我們稱該溫度為此被測物體的輻射溫度。,輻射溫度計的敏感元件，分光電型與熱敏型兩大類。,全輻射高溫計原理圖1-物鏡；2-光欄；玻璃泡；4-熱電堆；5-灰色濾光片；6-目鏡；7-鉑箔；8-云母片；9-二次儀表,輻射高溫計光

56、學系統(tǒng)的作用是聚集被測物體的輻射能。其形式有透射型和反射型兩大類。輻射高溫計的測量儀表按顯示方式可分為自動平衡式、動圈式和數(shù)字式三類。輻射高溫計的輔助裝置主要包括水冷卻和煙塵防護裝置。與光學高溫計相比較，輻射高溫計的測量誤差要大一些。,五、紅外測溫,(一)紅外溫度計對于波長約在0.75~40μm的紅外光譜波段，熱輻射體發(fā)出的部分光譜波段的輻射通量與溫度之間的關(guān)系，仍然可依據(jù)普朗克定律確定?？梢酝ㄟ^光探測器或熱探測器測量輻射通

57、量進而確定熱輻射體的溫度。利用紅外輻射測定溫度的方法，將非接觸式測溫向低溫方向延伸，低溫區(qū)已至-50℃，高溫區(qū)達3000℃。它由紅外探測器和顯示儀表兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)與比色溫度計基本相同。,紅外測溫,紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。,紅外測溫的特點非接觸測溫；反應(yīng)速度快；靈敏度高；準確度較高；范圍廣泛。,紅外測溫

58、原理 全輻射測溫是測量物體所輻射出來的全波段輻射能量來決定物體的溫度。它是斯蒂芬—玻爾茲曼定律的應(yīng)用。,紅外輻射測溫儀結(jié)構(gòu)原理,紅外溫度計,,,(二)紅外熱像儀,熱像儀是利用紅外探測器按順序直接測量物體各部分發(fā)射出的紅外輻射，綜合起來就得到物體發(fā)射紅外輻射通量的分布圖像，這種圖像稱為熱像圖。由于熱像圖本身包含了被測物體的溫度信息，也稱溫度圖。熱像儀通常用于面積大且溫度分布不均勻的被測對象，欲求其整個面積的平均

59、溫度或表面溫場隨時間的變化；在有限的區(qū)域內(nèi)，尋找過熱點或過熱區(qū)域的情況。,掃描熱像儀原理示意圖,第五節(jié) 測溫儀表的選擇及安裝,一、溫度計的選擇原則 (1)滿足生產(chǎn)工藝對測溫提出的要求；(2)組成測溫系統(tǒng)的各基本環(huán)節(jié)必須配套；(3)注意儀表工作的環(huán)境；(4)投資少且管理維護方便。,二、接觸式測溫元件的選型,一般根據(jù)溫度、氣氛來選：一般在t<500℃的中、低溫區(qū)用得較多的是熱電阻或熱敏電阻，在t?500℃高溫區(qū)在線

60、檢測中選用較多的是熱電偶；在-200～300℃時可選用T型或選用E型熱電偶;當上限溫度<1000℃，可優(yōu)先選K型熱電偶;當測溫范圍為1000～1400℃時，可選S或R型熱電偶; 當測溫范圍為1400～1800℃時，應(yīng)選B型熱電偶;當測溫上限大于1800℃，應(yīng)考慮選用非標準的鎢錸系列熱電偶。,三、非接觸式測溫元件的選型,在同一溫度下，從儀表的靈敏度上講，光學高溫計的靈敏度最高；比色溫度計次之；輻射溫度計差一些。故國際溫

61、標以基準光學(光電)高溫計作為標準溫度計。測量誤差上來講，隨著溫度升高，TR、TL的相對誤差也增大，而TP的相對誤差維持不變；對于發(fā)射率低的物體，其TP與真實溫度相差較大，而比色溫度TR的差別最小。中間介質(zhì)對輻射溫度計測量結(jié)果的影響最大，光學高溫計次之，比色溫度計最小。,四、感溫元件的安裝要求,(1)正確選擇測溫點；(2)避免熱輻射等引起的誤差；(3)防止引入干擾信號；(4)確保安全可靠。,五、布線要求,(1)熱電偶溫度計應(yīng)按

62、規(guī)定型號配用熱電偶的補償導線，正、負極不要接錯。 (2)熱電阻應(yīng)采用三線制接法與顯示儀表相接。 (3)導線應(yīng)有良好的絕緣，信號導線不能與交直流電源輸電線合用一根穿線管。,,,第六節(jié) 新型溫度傳感器,一、熱流計熱流計由帶有熱電堆(若干個熱電偶串聯(lián))的薄片制成，用于設(shè)備散熱損失的測試。測試時，將測頭貼附于壁的表面上，如圖所示，其輸出電勢E與熱流q成正比關(guān)系：q=CE,式中C是熱流計靈敏度系數(shù)，與熱電極材料、熱電偶數(shù)目以及熱流測

63、頭導熱材料等有關(guān)。,,,,,,,,,,,,,,,,E,123,,q,,,,1-被測表面;2-熱電堆3-熱流測頭,二、光纖光柵溫度傳感器,光纖傳感器是一種將被測狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置，具有靈敏度高，抗電磁干擾，耐高溫、耐腐蝕，體積小、重量輕等特點。作為功能型光纖傳感器中的一種新型傳感器，光纖光柵制作簡單、穩(wěn)定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、易于同光纖集成及可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用于光傳感領(lǐng)域。光纖光柵傳感

64、器可以檢測的物理量很多，包括溫度、壓力、應(yīng)變、應(yīng)力、位移、扭角、扭應(yīng)力、加速度、電流、電壓、磁場、頻率及濃度等，應(yīng)用前景很好。,(一)光纖光柵結(jié)構(gòu)與工作機理,結(jié)構(gòu)特點：光纖光柵傳感器所用光纖與普通通訊用光纖基本相同，一般由纖芯、包層、涂覆層和護套組成。光纖芯的主要成分為摻鍺二氧化硅，用以提高纖芯的折射率，與包層形成全內(nèi)反射條件將光限制在纖芯中。單模光纖其纖芯直徑為9μm，包層主要成分也為摻鍺二氧化硅，直徑為125μm。涂覆層一般為環(huán)氧樹

65、脂、硅橡膠等高分子材料，外徑為250μm，以增強光纖的柔韌性、機械強度和耐老化特性。,光纖結(jié)構(gòu)示意圖,工作原理,圖中輸入光為寬光源，在光纖纖芯傳播，將在每個光柵面處發(fā)生散射，當滿足布拉格條件時，每個光柵平面反射回來的光逐步累加，最后形成一個反射峰，反射光為窄帶光信號，其中心波長lB(Bragg波長)隨光纖芯的有效折射率n和光柵周期Λ變化而變化，即：lB = 2nΛ,(二)光纖布拉格光柵傳感原理與溫度檢測,光纖光柵的Bragg波長對

66、溫度變化ΔT和縱向應(yīng)變ε很敏感，其關(guān)系為:,光纖布拉格光柵傳感原理與溫度檢測,由上可知，光纖受外界應(yīng)變和溫度影響將通過彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)影響n；通過光纖長度變化和熱膨脹影響Λ，從而引起中心波長lB的改變。光纖光柵傳感器原理：利用光纖光柵有效折射率n和周期Λ的空間變化對外界參量(如溫度、應(yīng)變等)的敏感特性，將被測量的變化轉(zhuǎn)化為Bragg波長的漂移，再通過檢測該波長的移動來實現(xiàn)測量的。,三、集成電路溫度傳感器,集成溫度傳感器(溫度IC)

67、將溫度敏感元件和放大、運算和補償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，從而構(gòu)成集測量、放大、電源供電回路于一體的高性能的測溫傳感器。它采用PN結(jié)作為感溫元件，利用的是晶體管結(jié)電壓Ube隨溫度改變的原理。AD590集成電路溫度傳感器就是典型的一種，以下以AD590為例進行講解 。,,AD590測溫原理,AD590采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件，兩管的結(jié)電壓差?Ube(T)為：,AD590原理電路圖,式中k—波爾茨

68、曼常數(shù)； q—電子的電荷量； ?—V1與V2的發(fā)射極面積比例因子，是由結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)；電流I1與I2由恒流源提供。,AD590的測溫電路,再通過轉(zhuǎn)化電路，將溫度變化轉(zhuǎn)化為電流信號Io(溫度靈敏系數(shù)為1μA/K)輸出。測量時，將AD590接入電路中即可測量出溫度，下圖給出的為用測絕對溫度T或攝氏溫度t時的電路。,AD590,,,,,,,,,4~30V,Uo(0.001T),910W,220W,,RL1

69、kW,+-,,20kW4.7kW,,+6V,AD590,,,,-6V,,,,,,,,Uo(=0.1t),,,20kW,100kW,,,,,,,Io-273,273mA,Io,-+,Io,,- +,(a),(a)測絕對溫度；(b)測攝氏溫度,(b),第七節(jié) 工業(yè)特殊測溫技術(shù),一、高溫金屬熔體的溫度測量高溫金屬熔體溫度測量分為兩種方式，一種是連續(xù)測溫，另一種是間斷測量。在高溫熔體中進行連續(xù)溫度檢測，由于熔體溫度