温度测量元件原理

1、*有限公司温度测量元件原理及应用2016年2月2016年*部自控专业培训*有限公司22022-3-27 温度测量元件原理及应用 第一章：温度测量的基本知识 第二章：各种测温方法简介 第三章：膨胀式温度计 第四章：热电偶温度计 第五章：热电阻温度计 第六章：非接触式温度测量仪表*有限公司32022-3-27第一章：温度测量的基本知识 一、温度与温标：p 1.温度是表示物体冷热程度的物理量，是物体分子运动平均动能大小的标志，它反映了物体内部分子热运动的剧烈程度。温度的高低是工业生产过程运行状态的重要标志，故温度是工业生产中最普遍、最重要的测量参数之一。p 2.温标是衡量物体温度高低的标尺，它规定了

2、用数值表示温度的一套规则，确定了温度的单位。 国际实用温标是用来复现热力学温标的，自1927年建立以来，经过多次修改，最近一次修改版是国际计量委员会根据1987年第18界国际计量大会第7号决议的要求，于1989年会议通过的1990国际实用温标（ITS90）。90国际实用温标自1990年1月1日起使用。 温度测量元件原理及应用*有限公司42022-3-27 二、90国际实用温标内容：p 1. 基本的物理量为热力学温度，符号为T，其单位为开尔文，符号为K。它规定水的三相点热力学温度为273.16K，1开尔文等于水三相点热力学温度的1/273.16。沿袭习惯，温度也可以用摄氏温度表示，其符号为t，单

3、位为摄氏度。它定义为：t=T-273.15。p 2. ITS90所包含的温度范围自0.65K至单色辐射温度计可测量的最高温度。定义了17个固定点和温度点，包括14种纯物质的三相点、熔点和凝固点以及3个用蒸气温度计或气体温度计测定的温度点。p 3. ITS90将温区划分为4段，规定了每段温度范围内复现热力学温标的基准仪器。0.65K5.0K之间的基准仪器为：3He或4He蒸气压温度计；3.0K24.5561K之间的基准仪器为：3He或4He定容气体温度计；13.8033K961.78之间的基准仪器为：铂电阻温度计；961.78以上温区的基准仪器为：光学或光电高温计。p 4. 规定了基准仪器的示值

4、与国际温标温度之间的插补公式。第一章：温度测量的基本知识 温度测量元件原理及应用*有限公司52022-3-27 测温方法是基于物体的某些物理化学性质与温度有一定的关系而产生的。如：物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等。当温度不同时，以上这些参数中的一个或几个随之变化，测出这些参数的变化，就可间接地知道被测物体的温度。 温度测量方法大体可分为：接触测量和非接触测量。 接触测量：感温元件与被测对象直接接触，输出与温度变化相适应的信号。 优点：测量准确性高。 缺点：换热过程需要一定的时间，动态特性差； 破坏对象的温度场，影响测温的准确性； 测温上限受敏感部件耐热性的影响； 测温元件易受环

5、境影响和腐蚀。第二章：各种测温方法简介 温度测量元件原理及应用*有限公司62022-3-27 根据测温原理不同，接触测温元件可分为以下几种：膨胀式温度计：液体膨胀式温度计（如水银温度计）；固体膨胀式温度计（如双金属温度计，杆式温度计）。*压力式温度计：液体压力式温度计，蒸气压力式温度计，气体压力式温度计。（定容体积变化产生压力变化）热电阻温度计。热电偶温度计。 温度测量元件原理及应用第二章：各种测温方法简介*有限公司72022-3-27 非接触测温：感温元件不与被测对象接触。 优点：不需要换热过程，动态特性好，可测移动物体的温度； 不破坏对象的温度场； 理论上测温上限不受限制； 不受环境的影响

6、和腐蚀。 缺点：由于受中间介质的影响，测量准确性一般较差。 非接触测温元件可分为：光学温度计、辐射温度计、比色温度计。 温度测量元件原理及应用第二章：各种测温方法简介*有限公司82022-3-27 膨胀式温度计是利用 物体受热膨胀 的原理制成的温度计。 主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。 一、液体膨胀式温度计 常见的是玻璃管式温度计，如下图所示。它主要由液体储存器、毛细管和标尺组成。根据所充填的液体介质不同，能够测量200750范围的温度。 温度测量元件原理及应用工作液体测量范围（）备注水银-30-750或更高上限用加压方法获得甲苯-90100乙醇-10075石油醚-

7、13025戊烷-20020第三章：膨胀式温度计*有限公司92022-3-27 二、固体膨胀式温度计 它是利用两种线膨胀系数不同的材料制成，由杆式和双金属片式两种。除用金属材料外，有时为了增大膨胀系数差，还选用非金属材料，如石英、陶瓷等。这类温度计常用作自动控制装置中的温度测量元件，它结构简单、可靠，但精度不高。 温度测量元件原理及应用 双金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。工业用双金属温度计的主要元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片，为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状。当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或

8、伸展。由于螺旋卷的一端固定，而另一端和一可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。第三章：膨胀式温度计*有限公司102022-3-27 一、热电偶测温原理： 热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。它被广泛用于测量-2001300范围内的温度。热电偶把温度信号转变为电信号，便于信号的远传，具有结构简单、制作方便、准确度高、热惯性小等优点。 热电效应：由两种不同的导体或半导体A或B组成的闭合回路，如果使两个接点处于不同的温度t0、t，则回路中就有电动势出现，称为热电势（由温差电势、接触电势组成）。 温差电势：同一均质导体两端温度不同时

9、，高温端（测量端、工作端、热端）电子的运动速度大于低温端电子，高温端失电子带正电，低温端得电子带负电，于是高、低温端之间形成静电场。该电场减缓了高、低温端之间电子的移动，当运动达到动态平衡时，导体两端便产生了相应的电位差，该电位差称为温差电势。*温差电势的大小：K为波尔兹曼常数；e为电子电量 为导体内的电子密度，是温度的函数；t、to是导体两端的温度。 温度测量元件原理及应用dtdttNdNekttetttt)(1,00第四章：热电偶温度计tN*有限公司112022-3-27 接触电势：是在两种不同材料A和B的接触点产生的。A、B材料有不同的电子密度，设导体A的电子密度nA大于导体B的电子密度

10、nB，则从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的多，A因失电子而带正电荷，B因得电子而带负电荷，于是在A、B的接触面上便形成一从A到B的静电场。这个静电场将阻碍电子的扩散运动，阻止电子的漂移运动，当扩散与漂移达到动态平衡时，在A、B接触面上便形成了电位差，即接触电势。 *接触电势的大小： 或 式中：k为波尔兹曼常数，e为电子电量 温度测量元件原理及应用 BtAtABnnektteln 00ln00BtAtABnnektte 可见接触电势与两导体的性质有关与接触点的温度有关，而与导体长度、截面大小、沿导体长度方向的温度分布无关。*热电偶回路的总电势为： 即热电势是高温端温度及低温端温度的函数，若恒

11、定低温端温度，则热电势是高温端温度的单值函数。通过测量热电势的大小可以得到被测（高温端）温度的数值。 CtftftfttetettetetteABABABBABAABAB00000,第四章：热电偶温度计*有限公司122022-3-27 二、热电偶的构造 普通工业用热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒构成，常见热电偶如图。 温度测量元件原理及应用第四章：热电偶温度计*有限公司132022-3-27 三、热电偶温度与电势对照表(以K分度为例) 温度测量元件原理及应用温度单位：、电压单位：mV参考温度点：0(冰点)第四章：热电偶温度计*有限公司142022-3-27 四、 热电偶冷端温度补偿

12、： 由热电偶的测温原理可知，热电势是热端温度与冷端温度的函数，在冷端温度恒定的条件下，热电势是热端温度的函数。而在实际应用时，热电偶的冷端温度不恒定。要想消除冷端温度波动对测温的影响，必须进行冷端温度补偿。常用的冷端温度补偿方法有：计算修正法、冷端恒温法、显示仪表机械零点调整法、补偿电桥（冷端温度补偿器）法、补偿导线法、辅助热电偶法、PN结补偿法等。 温度测量元件原理及应用第四章：热电偶温度计*有限公司152022-3-27 一、热电阻的测温原理： 物理学中我们知道，导体(或半导体)的电阻值是随着温度的变化而变化的，一般说来，它们之间有如下关系，即。 Rt=Rt01+（t-t0） 其中，Rt为

13、温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0）时对应电阻值；为温度系数。 若能设法测出电阻值的变化，就可相应地确定温度的变化，达到测温的目的。热电阻温度计就是利用导体(或半导体)的电阻值随着温度变化这一特性来进行温度测量的。即把温度变化所引起的导体电阻变化，通过测量桥路转换成电压信号，然后送入显示仪表以指示或记录被测温度。 热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的测温基准仪。 温度测量元件原理及应用第五章：热电阻温度计*有限公司162022-3-27 二、热电阻的材料和要求： 热电阻测温的机理是利用导体或

14、半导体的电阻值随温度变化而变化的性质，但不是所有导体或半导体材料都可以作为测量元件，还得从其它方面的性能来考虑和选择，对热电阻材料的要求主要有以下几点： 1.物理、化学性质稳定，测量精度高，抗腐蚀，使用寿命长。 2.电阻温度系数要大，即灵敏度要高。 3.电阻率要高，以使热电阻的体积较小，减小测温的时间常数。 4.热容量要小，使电阻体热惰性小，反应较灵敏。 5.线性好，即电阻与温度关系成线性或为平滑曲线。 6.易于加工，价格便宜，降低制造成本。 7.复现性好，便于成批生产和部件互换。 温度测量元件原理及应用第五章：热电阻温度计*有限公司172022-3-27 三、常见热电阻型号及应用： 热电阻的

15、型号系采用汉语拼音字母来表示，第一字母W表示温度，第二字母Z表示热电阻，第三字母则分别表示热电阻的分度号，铂电阻为P，铜电阻为C，镍电阻为N。热阻的主要技术特性如表： 温度测量元件原理及应用代号分度号0时电阻值（）0时电阻允许误差（%）电阻比（R100/R0） 测量范围（）基本误差允许值（）WZPPt1010（0850）A级0.006B级0.0121.3850.001-200+850t=(0.15+210-3t)Pt100100 （-200850）A级0.006B级0.012t=(0.3+510-3t)WZCCu50500.051.4280.002-50+150t=(0.3+610-3t)Cu

16、1001000.1WZNNi1001000.11.670.003-600t= (0.2+210-2t)Ni3003000.30+180t=(0.2+110-2t)Ni5005000.5第五章：热电阻温度计*有限公司182022-3-27 四、热电阻接线方式 目前热电阻的接线方式主要有三种： 二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可

17、以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。 四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。 温度测量元件原理及应用第五章：热电阻温度计*有限公司192022-3-27 五、热电阻分度表（以PT100为例）： 温度测量元件原理及应用第五章：热电阻温度计*有限公司202022-3-27 非接触式测温仪表主要是基于热辐射机理的一种温度传感器，这类温度传感器的最大特点就是温度传感器的任何部分都不与被测介质接触，它通过测

18、量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量。 由于不必与被测介质接触，非接触式测温仪表具有以下优点：不存在因接触产生的传热而附加引起的测温传热误差；不破坏被测温度场，可以测量热容量较小的物体；理论上测温上限不受测温传感器材料的限制；动态性能好，响应速度快，可测量运动物体的温度；可以测出二维的温度分布。 非接触测温仪表也存在有一些缺点：测量误差较大，仪表示值一般只代表表面外观温度；在辐射通道上介质吸收及反射光的干扰将影响仪表示值；被测温度表面发射率变化会影响仪表的测量数值；结构较复杂，价格较昂贵。第六章：非接触式温度测量仪表 温度测量元件原理及应用*有限公司212022-3-27 一、光学高温计光学高温计是基于光谱辐射原理的测温仪表，物体在高温状态下会发光，在可见光的波长范围(0.350.75 )内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来，其辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。光学高温计存在不宜测量反射光很强的物体、测量精度比热电偶和热电阻低、亮度比较的判断及调整均要人工进行，不能连续自动进行测量，同时带来工作人员的主观误差等缺陷。 二、光电高温计 光电高温计通俗的认识是利用光敏传感器配以电子电路自动进行亮度比，是在光学高温计基础上发展起来的能自动连续工作的测温仪表。 光电高温计依据的是光谱辐射亮度的原理,采用光电器件作为仪表的感受件，以替代人眼