第二章温度测量.ppt

测试技术 洪冶第二章第二章 温度的测量温度的测量2.1 温度的基本概念和测量方法温度的基本概念和测量方法 温度是一个基本物理量.温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。2014/10/2412.1.1 标定标定 对温度计的标定，有对温度计的标定，有标准值法和标准表法标准值法和标准表法两种方法：两种方法：1 1、标准值法标准值法 就就是是用用适适当当的的方方法法建建立立起起一一系系列列国国际际温温标标定定义义的的固固定定温温度度点点(恒恒温温)作作标标准准值值，把把被被标标定定温温度度计计(或或传传感感器器)依依次次置置于于这这些些标标准准温温度度值值之之下下，记记录录下下温温度度计计的的相相应应示示值值(或或传传感感器器的的输输出出)，并并根根据据国国际际温温标标规规定定的的内内插插公公式式对对温温度度计计(传传感感器器)的的分分度度进进行行对对比比记记录录，从从而而完完成成对对温温度度计计的的标标定定；被被定定后后的的温温度度计计可作为标准温度计来测温度。可作为标准温度计来测温度。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242 22 2、标准表法：标准表法：把被标定温度计把被标定温度计(传感器传感器)与已被标定好的更与已被标定好的更高一级精度的温度计高一级精度的温度计(传感器传感器)，紧靠在一起，共，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为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。计的标定。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/243 3一、接触式温度测量一、接触式温度测量测温精度测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；较低；由于感温元件与被测介质由于感温元件与被测介质直接接触直接接触，从而要影响被，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；测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有被测介质具有腐蚀性及温度太高腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。元件性能和寿命等缺点。2.1.2 测温方法分类及其特点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根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成分成接触式接触式和和非接触式非接触式两大类。两大类。测试技术测试技术测试技术测试技术 洪冶洪冶洪冶洪冶2014/10/242014/10/244 4二、非接触式温度测量二、非接触式温度测量感温元件感温元件不与被测对象直接接触不与被测对象直接接触，而是通过接受，而是通过接受被测物体的被测物体的热辐射热辐射能实现热交换，据此测出被测能实现热交换，据此测出被测对象的温度；对象的温度；非接触式测温非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，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。动物体的温度和快速变化的温度等优点。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245 5接触式与非接触式测温特点比较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l 300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23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 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/246 6各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247 72.2 温标温标 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。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/248 82.2.1 温标温标 经验温标1热力学温标2绝对气体温标3国际实用温标4测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/249 91.1.经验温标经验温标华氏温标 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。分成180等分测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2410101.1.经验温标经验温标摄氏温标 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 式中 T华氏温度值;t摄氏温度值。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2411112.2.热力学温标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(Carnot cycle)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1 K(Kelvin)。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/241212意义：建立在热力学基础上意义：建立在热力学基础上,体现出温度体现出温度仅与热量有关仅与热量有关,而与工质无关而与工质无关的理想温标。的理想温标。卡诺定理：卡诺定理：温标的确定：温标的确定：热力学温标规定水在标准大气压下的三热力学温标规定水在标准大气压下的三热力学温标规定水在标准大气压下的三热力学温标规定水在标准大气压下的三相点为相点为相点为相点为273.16K273.16K273.16K273.16K，沸点与三相点之间分为，沸点与三相点之间分为，沸点与三相点之间分为，沸点与三相点之间分为100100100100等分，每等分，每等分，每等分，每等分等分等分等分1K1K1K1K，将水的三相点以下，将水的三相点以下，将水的三相点以下，将水的三相点以下273.16K273.16K273.16K273.16K定为绝对零度定为绝对零度定为绝对零度定为绝对零度（0K0K0K0K）。由于水的三相点在摄氏温标上为由于水的三相点在摄氏温标上为0.01，所，所以以0=273.16K热力学温标确定的温度为应用：热力学温标确定的温度为应用：卡诺循环实际上是不存在的卡诺循环实际上是不存在的。热力学温标与理想气体。热力学温标与理想气体温标是完全一致。用近似理想的惰性气体制作定容式温标是完全一致。用近似理想的惰性气体制作定容式气体温度计，根据热力学第二定律确定其修正值，用气体温度计，根据热力学第二定律确定其修正值，用气体温度计来实现热力学温标。气体温度计来实现热力学温标。3.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：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：测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2414144.4.国际实用温标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-90。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/241515测试技术 洪冶几种温标的对比几种温标的对比 正常体温正常体温为为37 C C，相当于华相当于华氏温度多氏温度多少度？少度？2014/10/2416测试技术 洪冶2.3 测温方法与测温仪器的分类 按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。1.接触式测温接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。2014/10/2417测试技术 洪冶 2、非接触式测温、非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。2014/10/2418测试技术 洪冶2.4 测温仪器 对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。接触式仪器又可分为接触式仪器又可分为:膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)、电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)、热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。非接触式温度计非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。2014/10/2419测试技术 洪冶 按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指010K，低温指10800K，中温指8001900K，高温指19002800K的温度，2800K以上被认为是超高温。2014/10/24202.4.1 接触式测温方法接触式测温方法 根据测温转换的原理，接触式测温可分为：1、膨胀式、膨胀式(包括液体和固体膨胀式包括液体和固体膨胀式)2、热阻式、热阻式(包括金属热电阻和半导体热电阻包括金属热电阻和半导体热电阻)3、热电式、热电式(包括热电偶和包括热电偶和PN结结)测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2421212.4.2 热膨胀式测温方法 基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体液体膨胀式膨胀式和固体膨胀式固体膨胀式两类。按膨胀基体膨胀基体可分成：液体膨胀式玻璃温度计玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计压力温度计及固体膨胀式双双金属温度计金属温度计 特点：1、测量范围大都在-50550内2、用于温度测量或控制精度要求较低较低，不需自不需自动记录动记录的场合。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242222（一）工作原理（一）工作原理w利用玻璃管内液体的体积随温度利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。的升高而膨胀的原理。w组成：液体存储器、毛细管、标组成：液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分。尺、安全泡四部分。w液体可为：水银、酒精、甲苯等。液体可为：水银、酒精、甲苯等。w当温度超过当温度超过300时，应采用硅时，应采用硅硼玻璃，硼玻璃，500500以上要采用石英玻以上要采用石英玻璃。璃。一一.玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计4测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242323（二）结构与类型（二）结构与类型棒式玻璃温度计棒式玻璃温度计内标式玻璃温度计内标式玻璃温度计电接点式温度计电接点式温度计利利用用水水银银的的热热胀胀冷冷缩缩和和水银的导电性。水银的导电性。功能功能:(:(1 1）指示温度，）指示温度，（2 2）恒温自动控）恒温自动控制。制。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242424测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242525玻璃棒温度计玻璃棒温度计测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242626（三）（三）误差分析误差分析（1）玻璃材料有较大的热滞后效应。）玻璃材料有较大的热滞后效应。（2）温度计插入深度不够将引起误差，）温度计插入深度不够将引起误差，（3）非线性误差）非线性误差（4）工作液的迟滞性）工作液的迟滞性（5）读数误差）读数误差测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242727l液柱应全部浸入被测介质中。液柱应全部浸入被测介质中。若只有部分若只有部分液柱被浸没时，应对指示值进行修正。液柱被浸没时，应对指示值进行修正。某水银温度测量水温为某水银温度测量水温为90，插入处刻，插入处刻度为度为10，环境温度为，环境温度为10，则测量误，则测量误差为差为-1.024n:露出液体部分所占的刻度数，露出液体部分所占的刻度数，:工作液体工作液体对对玻璃的相对体膨胀系数（汞玻璃的相对体膨胀系数（汞0.00016，洒精，洒精0.000103），），t:温度计的示值，温度计的示值，ta:露出液柱露出液柱部分所处的环境温度部分所处的环境温度（三）误差分析（三）误差分析测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242828玻璃管液体温度计使用注意事项玻璃管液体温度计使用注意事项l温度计与被测介质应接触足够长的时间，温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质达到热平衡。以使温度计与被测介质达到热平衡。l读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一水平面上，手持温度计顶端的小于同一水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触摸标尺。耳环，不可触摸标尺。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/242929二二.固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计（一）类型及工作原理一）类型及工作原理 利用固体受热膨胀原利用固体受热膨胀原理制成的温度计理制成的温度计1.杆式温度计杆式温度计 利用固体（一般采用利用固体（一般采用膨胀系数较大的金属）膨胀系数较大的金属）材料构成材料构成测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2430302 双金属温度计双金属温度计l它的感温元件是由它的感温元件是由膨胀系数不同的两膨胀系数不同的两种金属片牢固地结种金属片牢固地结合在一起制成。合在一起制成。l可作温度继电控制、可作温度继电控制、极值温度控制信号极值温度控制信号固定端自由端测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/243131双金属温度计双金属温度计测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2432322.4.3 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体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。特点：特点：强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差测温范围下限能达-100以下，上限最高可达600一般用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2433331.压力温度计感温介质因被测温度的高低而导致其体积膨胀或收缩造成压力的增减，压力传给弹簧管，指针偏转，指示出温度。毛细管愈长，则温度计响应愈慢，管愈细，则准确度愈高 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/243434测温范围-2060,0100,20120,60160温包插入深度(mm)150280（尾长12M）8,10,13,14不锈钢管温包材料8,10,13,14钢管 8,10,13,14不锈钢管毛细管材料铜质毛细管 包塑毛细管 不锈钢毛细管安装方式WTZ-280M272可动外螺纹材料：铜，铁，不锈钢尾长1M20M20M特殊加工技术参数精度等级：1.5，2.5触头容量：220V/1A（无感负载10VA）安装孔尺寸4-118mm 6-158mm测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2435352.双金属温度计当温度变化时，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。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（俗称双金属温度计）。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/243636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 -80600，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。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2437372.4.4 热阻式测温技术 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。热电阻的材料：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；物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/243838优点：信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传（与热电偶相比）、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。缺点：需要电源激励、有自热现象（会影响测量精度）以及测量温度不能太高。常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/243939铂电阻测温 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。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/244040铂电阻与温度的关系当 时 当 时 铂电阻测温 式中 R0温度为零时铂热电阻的电阻值 R（t）温度为t时铂热电阻的电阻值；A=3.9080210-3 B=-5.801910-7 C=-4.2735010-12测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/244141热电阻的结构铂电阻测温 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/244242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：电阻温度系数大、线性好、性能稳定；电阻温度系数大、线性好、性能稳定；使用温度范围广、加工方便；使用温度范围广、加工方便；固有电阻大，互换性好，复制性强。固有电阻大，互换性好，复制性强。铂电阻测温 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/244343热电阻的引线形式热电阻的内引线是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9-4所示。铂电阻测温 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/244444铂电阻测温 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/244545铂电阻铂电阻测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2446461.两线制测量电桥 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2447472.三线制测量电桥 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2448483.四线制测量原理 RTD为被测热电阻，通过四根电阻引线将热电阻引入测量设备中，各引线电阻为RLEAD；恒流源I加到RTD的两端，RTD另两端接入电压表VM，由于电压表具有极高的输入电阻（通常高于100 M），因此流经电压表的电流可忽略不计，VM两端电压完全等于RTD两端的电压，流经RTD的电流完全等于恒流源电流I。由此可见，RTD的电阻值精确等于U/I，与引线电阻无关。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2449493.四线制测量原理 该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度、电压表的测量精度、引线的固有热电势。可采用如下措施提高测量精度：在电流回路中加入一具有极低温度系数的高精密电阻作为采样电阻，测量该采样电阻上的电压值VS进而精确得到恒流源的电流值I，从而消除由于温漂、失调等因素造成的恒流源误差；变换恒流源极性测量热电阻，可大大抑制热电势的影响。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245050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呈线性，其材料易提纯，价格低廉易提纯，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易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和和Cul00）一般其工作温度范围为-40120。其电阻值与温度的关系为：当时测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245151铜电阻和热敏电阻测温 热敏电阻的优点：灵敏度高灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级；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几乎无需考虑连线电阻的影响；体积小体积小；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化快速变化的测量场合；结构简单坚固结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245252热敏电阻的缺点：阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。铜电阻和热敏电阻测温 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245353D D D D、热敏电阻的线性化、热敏电阻的线性化、热敏电阻的线性化、热敏电阻的线性化串联在热敏电阻中的串联在热敏电阻中的R R的最佳值的最佳值测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245454E E E E、温度控制、温度控制、温度控制、温度控制简易温度控制器简易温度控制器 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2455552.5 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。特点：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。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2456561.热电偶测温原理 热电偶的测温原理基于热电效应热电效应。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年塞贝克塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应塞贝克效应（如图9-8所示）。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245757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。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。1.1.热电偶测温原理热电偶测温原理 测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/245858普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰2014/10/242014/10/24测试技术测试技术 洪冶洪冶5959隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒2014/10/242014/10/24测试技术测试技术 洪冶洪冶6060热电偶两热电极分别叫 A（正极）和B（负极），两端两端温度分别为温度分别为 且且；1.热电偶测温原理 热电偶回路总电势为：热电偶回路总电势为：其中温差电势其中温差电势EA（T，T0）和和EB（T，T0）比接触电势小很多，可忽略不计，且EAB（T0）总与EAB（T）的方向相反，上式简化为：测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2461612014/10/242014/10/24测试技术测试技术 洪冶洪冶62622.2.热电偶的基本定律热电偶的基本定律2)中间导体定律中间导体定律 由几种不同材料组成的闭合回路，当各材料的连接点由几种不同材料组成的闭合回路，当各材料的连接点温度相同时，此回路的热电势为零。温度相同时，此回路的热电势为零。1)均质导体定律均质导体定律 任何一种均质导体组成的回路，不能产生热电势。任何一种均质导体组成的回路，不能产生热电势。应用：可检验热电极材料的均质性。应用：可检验热电极材料的均质性。中间导体定律的推论中间导体定律的推论 1 1 在热电偶回路中接入第三种材料，只要其两端温度相同，在热电偶回路中接入第三种材料，只要其两端温度相同，则对回路的热电势无影响。则对回路的热电势无影响。给热电偶的应用给热电偶的应用及测量热电偶的及测量热电偶的电信号带来极其电信号带来极其有利条件有利条件.?中间导体定律的推论中间导体定律的推论 2 2：任意两种均质导体任意两种均质导体A、B，分别与均质材料，分别与均质材料C连接组成热连接组成热电偶回路，若热电势分别为电偶回路，若热电势分别为EAC(T,T0)和和ECB(T,T0)，则导体，则导体A、B组成的热电偶的热电势为：组成的热电偶的热电势为：3)中间温度定律中间温度定律 延长线接入点延长线接入点3.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。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2467674.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9-11所示)：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/246868铠装热电偶铠装热电偶，是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电偶。4.热电偶结构 优点：测量温度范围宽，响应速度快，挠性好、安装使用力便，使用寿命长，机械强度、耐压性能好，铠装热电偶外径尺寸范围宽，铠装热电偶的长度可以做得很长。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2469695.几种冷端处理方法：几种冷端处理方法：（1 1）补偿导线法）补偿导线法组成组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。补偿导线补偿导线功能功能：实现了冷端迁移；降低了电路成本。：实现了冷端迁移；降低了电路成本。补偿导线又分为补偿导线又分为延长型和补偿型延长型和补偿型两种两种延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标 称值与配用的热电偶相同，用字母称值与配用的热电偶相同，用字母“”附在热电偶附在热电偶分度号后表示。分度号后表示。补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在，但其热电势值在100100以下时与配用的热电偶的热以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母电势标称值相同，有字母“C C”附在热电偶分度号后附在热电偶分度号后表示。表示。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247070补偿导线的补偿导线的优点优点：改善热电偶测温线路的机械与物理性能；改善热电偶测温线路的机械与物理性能；降低测量线路的成本；降低测量线路的成本；节省贵金属材料，便于安装与敷设；若用直径粗、电节省贵金属材料，便于安装与敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可减少测量回路电阻。导系数大的补偿导线，还可减少测量回路电阻。补偿导线补偿导线使用须注意事项使用须注意事项如下：如下：补偿导线只能用在规定的温度范围内（补偿导线只能用在规定的温度范围内（01000100）；）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247171（2 2）热电偶冷端温度恒温法）热电偶冷端温度恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247272（3 3）计算修正法）计算修正法 在实际应用中，热电偶的参比端往往不是零度，而是环境温度，这时在实际应用中，热电偶的参比端往往不是零度，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T1T1，从分度表中查出的，从分度表中查出的E(T1,0)E(T1,0)值，然后加值，然后加上热电偶回路热电势上热电偶回路热电势E(T,T1)E(T,T1)，得到，得到E(T,0)E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。被测温度值。由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，智能化测温由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，智能化测温仪普遍以软件为主的补偿方式处理仪普遍以软件为主的补偿方式处理。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247373例例 用镍铬用镍铬-镍硅镍硅(K(K型型)热电偶测温，热电偶参比端热电偶测温，热电偶参比端温度为温度为3030。测得的热电势为。测得的热电势为28mV28mV，求热端温度。，求热端温度。反查反查K K分度分度T=701.5T=701.5计算修正曲线计算修正曲线测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247474(4)(4)冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法n利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值端温度变化而引起的热电势的变化值 。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247575(5)(5)集成温度传感器集成温度传感器AD590AD590美国美国ADAD公司于公司于7070年代末推出体年代末推出体积仅同一只小功率高频晶体管积仅同一只小功率高频晶体管大小的集成化半导体温度传感大小的集成化半导体温度传感器器AD590AD590。标定系数：标定系数：1uA/K1uA/KAD590AD590工作电路工作电路把把AD590AD590输出的电流输出的电流信号方便地转换成电信号方便地转换成电压信号压信号特点特点输出总电流与绝对温度成正比；输出总电流与绝对温度成正比；内有稳压和恒流电路，内有稳压和恒流电路，输出总电输出总电流限制在流限制在1mA左右左右；非线性误差较小；非线性误差较小；使用温度范围为一使用温度范围为一5050150150；它具有良好的互换性；它具有良好的互换性；测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247676优点：改善热电偶测温线路的机械与物理性能降低测量线路的成本节省贵金属材料，便于安装与敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可减少测量回路电阻。补偿导线补偿导线测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247777热电偶测温注意事项：热电偶测温注意事项：补偿导线使用补偿导线使用注意事项注意事项如下如下：各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围；由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此两连接点温度必须相同；在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247878参比端处理我们经常使用的热电偶分度表，都是以热电偶参比端为0条件下制作的。在工业测温现场一般不能使参比端保持0。现在由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，因而，智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式：当热电偶的测量端和参比端温度分别为t、t1，假定t1t0=0，则热电动势测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/247979例9.1：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t138；测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38)29.90 mV，试求实际炉温。解由K型分度表查得E(38，0)1.53 mV，由式(6-11)可得到：E(t，0)E(t,t1)+E(t1,0)29.90+1.53=31.43 mV再查K型分度表，由31.43 mV查得到实际炉温755。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/248080上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参比端间的热电动势E(t,32)29.90 mV查K型分度表得对应的炉温718，与实际炉温755相差37，由此产生的相对误差约为5%。由此可见，如果不考虑参比端温度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2481812.6 辐射法测温 任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2482822.6.12.6.1 辐射测温的基本原理辐射测温的基本原理2.6.22.6.2 辐射测温方法及其仪表2.6.32.6.3 红外测温与红外成像测温仪测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/2483832.6.1 辐射测温的基本原理辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.340m。相关概念：绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量。选择吸收体：对辐射能的吸收(或辐射)除与温度有关外，还与波长有关。灰体：吸收(或辐射)本领与波长无关。测试技术测试技术 洪冶洪冶2014/10/242014/10/248484如果波长与温度T满足C2(T)1，则可把普朗克公式简化为维恩(Wien)公式。在温度低于3000K，对于波长