温度检测—接触式测温

1、传感器与检测技术传感器与检测技术本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有: :1 1、了解温度测量的基本概念和方法；、了解温度测量的基本概念和方法；2 2、了解热电偶、热电阻和热敏电阻的工作原理，以及、了解热电偶、热电阻和热敏电阻的工作原理，以及它们的分类及特点；它们的分类及特点；3 3、了解一些新型非接触测温传感器的原理、了解一些新型非接触测温传感器的原理第四章第四章 温度检测温度检测第一节第一节 测温方法及温标测温方法及温标 一、温度测量的基本概念一、温度测量的基本概念 温度标志着物质内温度标志着物质内部大量分子无规则运动的部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表剧烈程度。温度越高，表

2、示物体内部分子热运动越示物体内部分子热运动越剧烈。剧烈。 模拟图：在一个密闭的空间里，气体分模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！子在高温时的运动速度比低温时快！低温低温高温高温二、温标二、温标 温标温标 衡量温度的统一标准尺度。衡量温度的统一标准尺度。 温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。的刻度均由温标确定。 几种温标的对比几种温标的对比 正常体温为正常体温为37 C C ，相，相当于华氏温当于华氏温度多少

3、度？度多少度？热力学温标（热力学温标（K K） 热力学温标是建立热力学温标是建立在热力学第二定律基础在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是上的最科学的温标，是由开尔文（由开尔文（Kelvin）根据）根据热力学定律提出来的，热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它因此又称开氏温标。它的符号是的符号是T，单位是开尔，单位是开尔文（文（K） 。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵像开尔文勋爵像三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类 温度传感器按照测量方法可分为接触式和温度传感器按照测量方法可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、

4、辐射式等等；按输出方式分，有式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。自发电型、非电测型等。 几种温度测量方法几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案装满热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇散热风扇低温时显示蓝色低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色红外温度计红外温度计第二节第二节 接触式测温接触式测温 接触式传感器接触式传感器热电阻热电阻: :温度变化温度变化电阻变化电阻变化金属材料金属材料: :热电阻热电阻半导体材料半导体材料: :热敏电阻热敏电阻

5、中温中温低温低温热电偶热电偶: :温度变化温度变化热电动势变化热电动势变化常用于高温领域常用于高温领域1 1 主要优点主要优点 1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达、测温范围广：下限可达-270 C C ，上限可达，上限可达18001800 C C以上；是目前接触式测温中应用最广泛的热以上；是目前接触式测温中应用最广泛的热电式传感器。电式传感器。 3 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。的标准。一、热电偶测温（接触

6、式、热电式）一、热电偶测温（接触式、热电式）热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势! 热电极热电极A A2 2 工作原理工作原理 热电极热电极B B热电势热电势AB从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（点（称为结点称为结点），发现放在回路中的指南针发生），发现放在回路中的指南针发生偏转（偏转（说明什么？说明什么？），如果用两盏酒精

7、灯对两个），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说又说明什么？明什么？） 。 显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。点的温差有关。 结论结论-1 1 若热电偶两电极材料相同若热电偶两电极材料相同, ,那么即使两端温度不那么即使两端温度不同，闭合回路的总热电势仍为零。同，闭合回路的总热电势仍为零。2 2 若热电偶两电极材料不同若热电偶两电极材料不同, ,而两端温度相同而两端温度相同, ,闭合闭合回路

8、中也不会产生总热电势。回路中也不会产生总热电势。3 3 所以所以, ,热电偶的工作条件是热电偶的工作条件是: :电极由不同材料组成电极由不同材料组成, ,且两接触端温度不一样。且两接触端温度不一样。4 4 热电势的大小仅与热电势的大小仅与热电极材料热电极材料和和两端温度两端温度有关。有关。普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰工业热电偶结构示意图工业热电偶结构示意图 1接线盒；接线盒； 2保险套管保险套管 3绝缘套管绝缘套管 4热电偶丝热电偶丝1234热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

9、。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0 0 C C。 K K热电偶的热电偶的分度表分度表 比较查出的比较查出的3 3个个热电势，可以看热电势，可以看出热电势是否线出热电势是否线性？性？3 3 热电偶的种类及结构热电偶的种类及结构 八种八种国际通用热电偶：国际通用热电偶： B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 R: R:铂铑铂铑1313铂铂 S:S:铂铑铂铑1010铂铂 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 E:E:镍铬镍铬铜镍铜镍 J:J:铁铁铜镍

10、铜镍 T:T:铜铜铜镍铜镍 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C热电势热电势/ mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬 (铝铝) -2701370 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)270800 C C?几种常用热电偶的热电势

11、与温度的关系曲线分析几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 哪几种热电偶哪几种热电偶的测温上限较高？的测温上限较高？ 结论：结论： 哪几种热电偶的哪几种热电偶的线性较差？线性较差？ 哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较高？的灵敏度较高？ 哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较低？的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？4 4 热电偶基本定律热电偶基本定律1、均质导体定则、均质导体定则 均质导体构成的闭合回路均质导体构成的闭合回路, ,不可能产生热电效应，构不成不可能产生热电效应，构不成 热电偶。热电偶。 热电偶的电极均匀性越好，则其质量越好。热电偶的

12、电极均匀性越好，则其质量越好。2、中间导体定律、中间导体定律 导体导体A、B组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体C，只要导体，只要导体C两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。MABCT0T123MCABBT0T1T1234 意义：意义： 可用测量仪表可用测量仪表直接测量热电势直接测量热电势意义：为制定分度表奠定了理论基础意义：为制定分度表奠定了理论基础3、中间温度定律、中间温度定律A AB BA AB BT TT To oT Tn nT Tn n 热电偶热电偶AB在接点温度为在接点温度为T和和To的热电势的热电势EAB(T,To)应

13、当应当等于它在接点温度等于它在接点温度T、Tn和和Tn 、To的热电势的代数和的热电势的代数和,即即 E EABAB(T,To)= E(T,To)= EABAB(T,Tn)+ E(T,Tn)+ EABAB(Tn,To(Tn,To) ) 5 5 热电偶的冷端处理热电偶的冷端处理 必要性：必要性： 1、用热电偶的分度表查毫伏数、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满温度时，必须满足足t0=0 C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样温度而变化，这样t0不但不是不但不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定， 因此将产生误差。因此将产生误差。 2、

14、 一般情况下，冷端温度均高于一般情况下，冷端温度均高于0 C，热电势，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 型号型号配用热电偶配用热电偶正正- -负负导线外皮颜色导线外皮颜色 正正- -负负SCSC铂铑铂铑1010- -铂铂红红- -绿绿KCKC镍铬镍铬 - - 镍硅镍硅红红- -蓝蓝WCWC5/265/26钨铼钨铼5 5- -钨铼钨铼262

15、6 红红- -橙橙 补偿导线在补偿导线在0 0100100 C范围内的热电势与配套的热电偶的范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。热电势相等，所以不影响测量精度。A A 补偿导线法补偿导线法补偿导线外形补偿导线外形 AABB屏蔽层屏蔽层保护层保护层B B 冷端温度测量计算法冷端温度测量计算法计算修正计算修正 当热电偶的冷端温度当热电偶的冷端温度t0 0 C时，由于热端与冷端时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为）与冷端为0 C时所测得的热电时所测得的热电势势EAB（t，0 C）不等

16、。可以利用下式计算并修正测量误差：不等。可以利用下式计算并修正测量误差： EAB（t，0 C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0 C）C C 冷端恒温法冷端恒温法 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在容器中，使冷端的温度保持在0 0 C C不变。此法也称冰不变。此法也称冰浴法，它消除了浴法，它消除了t t0 0不等于不等于0 0 C C而引入的误差，由于冰而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。融化较快，所以一般只适用于实验室中。 工业应用中，一般把冷端放在电加热的恒温工业应用中，一般把冷端放在电加热的恒温器

17、中，使其维持在某一恒定的温度。器中，使其维持在某一恒定的温度。冰浴法冰浴法 在冰瓶中，冰水混合物的温度能在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在较长时间地保持在0 0 C C不变。不变。 XT-WBC热电偶热电偶 冷端补偿器冷端补偿器 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 D D 电桥补偿法电桥补偿法二、热电阻测温（接触式、电阻式）二、热电阻测温（接触式、电阻式

18、） 温度升高，金属内部原子晶格的振动温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为值应为484 。 热电阻材料特点热电阻材料特点（1）高温度系数、高电阻率）高温度系数、高电阻率（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良好的输出特性）良好的输出特性（4）良好工艺性）良好工艺性 材材料料 温温度度系系数数 （1 1/ /） 比比电电阻阻 （ .mm2/m） 温温度度范范围围 （） 特特 性性 铂铂 3.9210-3 0.0981 -200 +650 近近线线性性 铜铜