第八章温度测量-机械工程测试技术..ppt

机械工程测试技术 温度测量 2 第八章 内容 1 温度测量基础2 热电偶测温技术3 电阻法测温技术4 温度仪表的标定5 其它重点 掌握热电偶与热电阻两种测温方法的原理 特点及应用场合 温度测量背景国际单位制七个基本的物理量测量领域 动力 机械 化工 冶金 制冷 航天 电子 1 温度测量基础 温度的概念物体热平衡状态下冷热程度的物理量微观上 温度是物体内部分子热运动激烈程度的标志 是度量分子热运动平均动能大小的指标宏观上 温度是决定系统热平衡的宏观性质 当两个系统处于平衡状态时 它们拥有的共同性质 1 温度测量基础 温度的概念单位摄氏温标 华氏温标 F 国际温标 K 常用摄氏温度 1 温度测量基础 基本原理测温原理温度本身是一个抽象的物理量 不能直接与标准量比较而测出通过测量某些随温度而变化的物体的性质 间接地测量物体温度传感器 测量某些材料随温度单值变化的物理参数 间接评估物理参数选择温度的单值函数 物理参数变化只与温度有关 与其它因素无关或关系不大函数关系必须简单 稳定 参数与温度之间的函数关系简单 且变化是连续的温度的跟踪性要好 能够迅速与被测介质达到热平衡 1 温度测量基础 测温方法利用物体的热胀冷缩现象测量温度利用物体的热电效应随温度变化的现象测量温度利用物体的导电率随温度变化的现象测量温度利用物体的热辐射强度随温度变化的现象测量温度利用物体的磁化率随温度变化现象制造的磁温度计利用物体的正向电压随温度变化现象制造的温度计 1 温度测量基础 常用温度计 1 温度测量基础 测量50 温度可用什么温度计 摄氏度 常用温度计 1 温度测量基础 测温方式接触测温法除高温区以外的温度测量大多采用此法主要有 热电阻 热电偶 膨胀式 二极管等非接触测温法在高温范围 由于感温物质的材料特性的限制 利用物体的辐射特性来测量物体的温度主要有 光学高温计 辐射高温计 光电高温计等分度表用一张表格将感温元件 热电偶 的电阻值 热电势 与温度的对应关系表示出来称为分度表热电偶分度表是以冷端温度为0 为基础而制成的 1 温度测量基础 均匀导体定律在用同一种均质材料组成的回路中 不论材料的截面积是否一致以及各处的温度分布如何 该回路中的总热电势等于零若要回路中产生热电势 必须采用两种不同性质的材料由同一种材料组成的闭合回路存在温差时 若回路中产生热电势便说明该材料是不均匀的 2 热电偶测温 热电效应 将温度信号转换成热电势当不同材料的两导体 和 的两个结点处温度不同时 则回路中产生热电势热电偶 两导体 和 组成接触电势 接触点电子密度不相同而形成的电位差温差电势 金属导体两端温度不同而可产生的热电势 等温时为零 2 热电偶测温 eAB t t0 金属A和温度t分别表示热电偶的正极和测量端 后面的金属B和温度t0分别表示热电偶的负极和参考端 中间导体定律在热电偶回路中加入第三种导体C 只要其两端温度相同 热电偶产生的热电势保持不变 不受第三金属接入的影响 2 热电偶测温 可以在热电偶回路中接入仪表以便检测热电势的大小从而测出温度相对另一种金属C 标准电极 的热电势为已知的金属A和B 它们组成的热电偶 其热电势为它们对金属C热电势的代数和 建立通用 相对标准电极 分度表 热电偶连接接入仪表开路热电偶只要A B电极接入处温度一致 任意焊接 任意连接 2 热电偶测温 中间温度定律热电偶在接点温度为t tn的热电势为eAB t tn 在接点温度为tn t0的热电势为eAB tn t0 则当接点的温度为t t0的热电势为 结论 电势与温度间转换 无论热电偶的工作温度为多少 都可以用一具有相同参考温度的分度表来确定其电势温度函数关系温差测量 只要已知t和tn温度下的电势 则对应于t和tn温差下的热电势便为已知 2 热电偶测温 t2 冷端温度补偿冷端 参考 比端 自由端 t0热电偶的热电势的大小不仅与工作端温度有关 而且与冷端温度有关只有当冷端温度不变时 热电势才是热端温度的单值函数定点法 恒温法把冷端置于恒温器中 使其维持在一恒定温度下 最常用冰槽精度很高 比较麻烦 仅限于实验室用 2 热电偶测温 冷端温度补偿修正法 处理冷端温度不是分度时的定点温度 0 或0K 修正原理 中间温度定律冷端t0 测得eAB t t0 定点温度为tn 可查表eAB tn t0 则例 用铜 康铜热电偶测量某介质温度 冷端置于恒温室内t0 20 测出热电偶输出的热电势为 6 282mV 求该介质温度为多少 解 根据冷端温度t0 20 查表 得E t0 0 0 789mV 则有e t 0 e t t0 e t0 0 6 282 0 789 5 493mV用此电势值再查表 得该介质温度79 56K 2 热电偶测温 冷端温度补偿补偿电桥法 在热电偶回路中串联一电势U e t0 0 原理 电桥输出与环境温度 冷端变化成正比补偿环境温度对热电偶的影响电桥补偿 在0 C时 电桥平衡 输出为U 0如果环境温度上升 热电偶输出热电势数值要降低电桥中桥臂电阻Rcu随温度上升而增大 使电桥输出电压增加 它与前者迭加可起到补偿作用 2 热电偶测温 热电偶分类热电偶材料性能要求物理化学性能稳定 电阻温度系数小 机械性能好 灵敏度高 复现性好 线性关系等热电偶分类按其热电势与温度的关系以及使用性能可分为 常用热电偶和特殊热电偶按其适应的温度范围不同可分为 高 中温热电偶和低温热电偶按其结构型式不同可分为 铠装式 插入式和裸线式热电偶一般热电偶的灵敏度随温度降低而明显下降 这是热电偶进行低温测量的主要困难 2 热电偶测温 热电偶分类 2 热电偶测温 分度号 热电偶分类铂铑 铂热电偶 中高温度计特点 物理化学性能稳定 测量精度高 常用于精密温度测量和作为基准温度计使用测温范围 300 1300 短期可达1600 灵敏度 室温下6uV 铂铑为正缺点 灵敏度较低 价格昂贵 较少在中低温度下使用镍铬 镍硅热电偶 中高温度计特点 化学性能很稳定 灵敏度高 成本低 价格低廉 测温范围 100 1000 短期可达1300 灵敏度 室温下41uV 镍铬为正 2 热电偶测温 热电偶分类镍铬 康铜热电偶 中低温温度计特点 综合了镍铬 镍硅热电偶和铜 康铜热电偶的一些优点 灵敏度高 价格便宜测温范围 液氮温区80K 500 灵敏度 室温下70uV 铜 康铜热电偶 中低温温度计特点 性能稳定 复现性好 而且价格便宜测温范围 80K 室温灵敏度 室温下40uV 镍铬 金铁热电偶 中低温温度计特点 稳定性好 热导率低 适合于低温测量 测温范围 1K 30K灵敏度 1K时下10uV 为铜康的30倍 2 热电偶测温 2 热电偶测温 热电偶分度表 热电势测量常用仪表 动圈式仪表 电位差计 数字式电压表动圈式仪表 测量电流 端电压测量线路 热电偶 补偿电路 外电路可调电阻和动圈仪表动圈仪表的内线路电阻是一定的 要求外线路电阻规定为15 外线路电阻 热电偶电阻 补偿电桥等效电阻 引线电阻和外线调整电阻 15 2 热电偶测温 热电势测量直流电位差计 与已知的标准电势相比较使输入信号回路没有电流流过 消除内部压降校正工作电流回路 标准电池EK 标准电阻RK 高精度检流计G测量过程 2 热电偶测温 当把开关K转向1位时 整定可调电阻 使得检流计指零 可得到精确的工作电流I EK RK当把开关K转向2位时 即接入被测热电势eX 调节触点B 使检流计指零 则电流I在RAB 可精确知道 上的电压降即为热电势eX 热电势测量数字式电压表特点分辨率很高 直接接受热电偶的电势信号具有很高的输入阻抗 兆欧数量级 多次放大滤波模 数转换 数字显示完全可以忽略电极材料的粗细和引线的长短以及电阻的变化等造成的测量误差 2 热电偶测温 测温误差分析传热误差 传热现象存在分度误差 材料成分不符以及均匀性差补偿导线误差 补偿导线和热电极材料的热电性质不完全相同 只是替代了昂贵的热电极材料冷端温度误差 补偿电桥法只能在个别设计温度段才能完全补偿显示仪表基本误差 由仪表的精度等级决定线路电阻误差 线路总电阻偏差和变化引起 2 热电偶测温 热电偶优点结构简单 制作方便 价格低廉 测温范围宽 正确度高 输出信号便于远距离传输流体 固体 及表面温度均可用它测量微型热电偶可用于快速及动态温度测量热电偶缺点 需要恒定的冷端温度 2 热电偶测温 在工业生产中 中低温度的测量大多采用电阻温度计国际温标 13 81K 630 C 铂电阻温度计作为基准仪器热电阻分类 金属丝电阻 膜电阻 热敏电阻电阻温度计优点测量精度高 复现性好由于电信号传递 利于实现远距离检测 控制 以及多点切换灵敏度高 输出信号强 便于表检测显示测温范围 0 3K 900K缺点使用贵金属鉑使价格昂贵体积较大 热惯性大 不宜作动态测量 3 热电阻法测温 电阻法测温原理导体或半导体的电阻值是温度的函数当温度升高1 时 大多数金属的阻值要增加0 4 0 6 而半导体的电阻值要减小3 6 一般纯金属在温度变化范围不大时 其电阻值与温度的关系近似为某些半导体的电阻值与温度的关系为 3 热电阻法测温 电阻 温度特性曲线铂 铜的电阻特性曲线比较理想半导体的电阻特性曲线 3 热电阻法测温 热电阻材料选择电阻温度系数a要大 制成的温度传感器的灵敏度越高 电阻温度系数与材料的纯度有关 纯度越高 a值就越大 且稳定材料的电阻率要大 这样可使热电阻体积较小 热惯性较小 对温度变化的响应就比较快线性或为平滑的特性曲线 而且有良好重复性易于加工复制 价格便宜 3 热电阻法测温 几种热电阻材料特性 金属电阻 工业中应用最多的是铂和铜铂电阻具有很高的化学稳定性 容易提纯 便于加工 最常用的材料用于13 81K 630 范围内的测温 也是基准温度计 3 热电阻法测温 HT 101铂电阻元件 honeywell 分度号 pT100 pT1000量程 200 450 精度 A 0 06B 0 12外形 1 6 3 22 5 金属电阻 工业中应用最多的是铂和铜膜铂电阻用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上 膜厚在2 m以内 用玻璃烧结料固定Ni 或Pd 引线 经激光调阻制成薄膜元件微型化 反应快 3 热电阻法测温 金属电阻 工业中应用最多的是铂和铜铜电阻温度系数a高于其它金属的值 价格低廉 易于提纯在 50 150 范围内近似呈线性关系缺点电阻率小 体积较大 铜电阻丝细而长 故机械强度降低易氧化 只能用于无侵蚀性介质 3 热电阻法测温 半导体电阻具有负的电阻温度系数 温度降低时 其电阻值增加 灵敏度增大具有灵敏度高 体积小 热容量小的优点 可作为精密温度测量常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻锗电阻电阻温度关系很稳定 重复性很好 迄今所研究过的半导体中最理想的低温测量元件标定一次可长期使用 而且它的测量精度可达到0 005K许多国家将锗电阻温度计作为4 2K 20K之间的标准测温仪表 3 热电阻法测温 半导体电阻热敏电阻测量灵敏度较高 成本低 体积小 重复性好 可满足不同测温对象的要求 而且适合动态测量缺点是性能不稳定 互换性差 导致测量精度不高 空调系统的温控元件二极管温度计当流过晶体管P N结的电流恒定时 则P N结之间的电压降会因温度的升高而降低 两者之间近似地成线性关系 P N结传感器优点 灵敏度高 分辨率可达0 1 以上 线性度比热敏电阻好 重复性和稳定性好缺点 互换性差 需自己动手标定 3 热电阻法测温 二极管 10 在低温下正向电压降温度曲线 阻值测量给予一定工作电流 测量热电阻上的电压降来反映阻值工作电流大小对测量灵敏度影响很大 工作电流不能太小工作电流太大 在热电阻上产生热量 测量误差常用测量方法 动圈式仪表 电位差计和平衡电桥 3 热电阻法测温 阻值测量动圈式仪表 作为测差仪表给予一定工作电流 测量热电阻上的电压降来反映阻值测量线路 电桥 动圈式仪表电桥 R0 R2 R3 R4 RW 均为锰铜 Rt电源 稳压4伏直流 3 热电阻法测温 锰铜阻值不随温度变化Rw作为每根连线总电阻和调整 使达到规定的5 工作电流不超过6mA非线性严重 对刻度和测量工作不利 阻值测量电位差计采用四线制接法 两根电流引线和两根电压引线 消除连接电阻影响开关K闭合后调节可调电阻Rs使回路电流I的数值达到规定值 太小降低测量精度 太大产生焦耳热误差 用毫安表测 3 热电阻法测温 通过切换开关依次用电位差计测量Rt和RB上的电压降 分别为Ut和UB测量精度高 RB Ut UB I稳定标准电阻RB阻值可根据Rt大小选取主要用于实验室精确测量 阻值测量平衡电桥测量电阻的精度很高 实验室用平衡电桥误差可小于十万分之几 工业用电桥也很易达到0 5级以上三线制接线法 可以减少线路电阻随环境温度变化带来的测量误差R2 R3时 三线制接法能够完全消除环境温度通过连接导线造成的影响 3 热电阻法测温 R3 R2 R1 Rt G RG Rw R0 E 三线制接法 阻值测量温度变送器 3 热电阻法测温 特性线性化输出4 20mA标准信号环氧树脂浇注工艺 防震 防潮热电偶变送器冷端自动补偿电源极性反接保护电路技术指标输入信号 Pt100 Pt1000 Cu50 K E S供电电压 17 35V负载电阻 0 500 输出信号 DC4 20mA 电压误差 0 005 V精度 0 1 0 2 功耗 0 5W工作环境 20 80 95 RH STWB系列温度变送器 测温误差分析传热误差 热传导和热辐射而引起的误差分度误差使用热电阻的实际电阻温度关系和统一的分度表存在差值 焦耳热引起的误差 电流在电阻上产生的热量线路电阻引起的误差线路电阻不完全符合规定数值会引起测温误差显示仪表基本误差 仪表的精度等级确定 3 热电阻法测温 标定的意义热电偶经过一段时间的使用 实际精度等级下降热端受氧化 腐蚀以及在高温下热电偶材料的再结晶等均会使它的温差电特性发生变化判断误差范围是否超过规定标准通过校验以测出它的热电特性的变化情况 以确定能否继续使用温度计标定的目的 确定温度计的精度等级 它包括对新仪表的标定和对旧仪表的校验比较法 定点法 4 测温仪表标定 基本方法比较法利用高一级准确度的标准温度计与被校验的温度计置于同一温度环境中 比较两者的温度值 根据示值之差确定被校验温度计的基本误差关键 均匀的温度场 足够大的尺寸 减小测量元件的导热损失常用的温度校验装置管状电炉 采用不同的电加热丝并调节电加热功率 中高温度校验 中低温用液体槽 槽内装有电加热装置或制冷装置 搅拌装置及电接点温度计可使温度场均匀并控制恒温低温恒温器 低温恒温器包括杜瓦瓶以及瓶内恒温体等 杜瓦瓶内盛以低沸点的低温液体 带有调温系统的恒温体置于液体中 通过调节恒温体内的加热量 可得到从液体沸点到室温温区的任意温度 4 测温仪表标定 基本方法定点法使被校温度仪表测量某些固定点温度 求得读数 以检定仪表质量指标的方法称为定点法 这些温度的固定点由国际实用温标规定 主要有 物质沸点 实验室中水沸点是最易得到的固定点之一 温度较高时用硫沸点 稍低时用乙醇沸点 在低温下则用氧 氮 氢或氦沸点 沸点受气压影响很大 所以要同时测量大气压数值进行温度修正凝固点 蒸馏水和纯冰的均匀混合物可得到冰融点温度 通常将冰水混合物盛在保温瓶中 以防止冰块很快溶解金属凝固点 高温温度计定点检定常用的固定点三相点 物质的三相点不受大气压的影响 也不需测量压强 比沸点更好 现在已研制成功多种密封的三相点容器 如氩 氮 氢 氧等 以及水三相点瓶 长期稳定性和良好复现性 准确度达 0 1mK 4 测温仪表标定 温度辐射式 红外测温传感器原理 温度辐射红外线 光电转换温度在绝对零度以上的物体 都会因自身的分子运动而辐射出红外线 波长在0 76 100 m光学系统 光电探测器 信号放大器及信号处理光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量 聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号 该信号再经换算转变为被测目标的温度值优点 便捷 可快速提供温度测量坚实 轻巧 便于携带精确在1度以内 5 其它 温度场 温度辐射式 红外测温传感器 型号 CT20 40 900 传感头 微型红外传感头重量40g 尺寸28 14mm具有D S 20 1光