HG第三章检测仪表与传感器(温度检测)

1、1第五节第五节 温度检测及仪表温度检测及仪表 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫而用来量度物体温度数值的标尺叫温标温标。它规定了温度的读。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。温标有：华氏温标、数起点（零点）和测量温度的基本单位。温标有：华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。概念：概念：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其分子运动愈激烈其温度表现越高温度表现越高。自然界中几乎所有的物理化学过程

2、都与温度紧密相关，自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。遍进行测量和控制的一个重要物理量。2温标温标（1 1）摄氏温标摄氏温标：以水的冰点为：以水的冰点为“0”0”，水的沸点为，水的沸点为“100”100”，中间等分为，中间等分为100100份，每份为份，每份为1 1度，以度，以O OC C表示。表示。（2 2）华氏温标华氏温标：冰水融体为：冰水融体为“32”32”，水的沸点为，水的沸点为“212”212”，中间等分为中间等分为180180份，每份为份

3、，每份为1 1度，以度，以O OF F表示。表示。55(3 2 )94oooCFR（3 3）热力学温标热力学温标 -又称开尔文温标，单位为开尔文（又称开尔文温标，单位为开尔文（K K）。）。（4 4）国际实用温标国际实用温标 -是一种符合热力学温标又使用简单的温标。是一种符合热力学温标又使用简单的温标。 最新温标最新温标是是19901990年国际温标年国际温标 ( (ITSITS9090) )3测温方式可分为测温方式可分为接触式接触式和和非接触式非接触式两大类。两大类。接触式：接触式：温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。温度相等。比较比

4、较简单简单、可靠可靠，测量精度较高测量精度较高；但因充分的；但因充分的热交热交换换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的的延迟现象延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。的温度测量。非接触测温：非接触测温：温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。温度。 (1) (1) 辐射式温度计辐射式温度计 ， (2) (2) 光纤式温度计。不与被测物光纤式

5、温度计。不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。一、一、温度测量的主要方法温度测量的主要方法温度的测量：以热平衡为基础的温度的测量：以热平衡为基础的。温度最本质的性质：当两温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。4常用温度计的种类及适用温度CCCCCCCCCCCCCCC2000200:35000:1700900:3200700:2000400:15050:600200

6、:60050:100050:16000:2500:60020:60030:60080:60050:热电式光电式红外线比色光辐射热辐射辐射式非接触式、铜热电阻：铂考铜镍铬镍硅镍铬铂铂铑热电偶蒸汽气体液体压力式双金属玻璃液体膨胀式接触式温度计51、膨胀式温度计t = t0t t0l玻璃液体玻璃液体温度计利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度。l双金属双金属温度计不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度。62、压力式温度计l利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。7二、二、 热电偶测温热电

7、偶测温热电偶测温系统可实现热电偶测温系统可实现远距离温度自动测量。远距离温度自动测量。它的测温范围为：它的测温范围为：v- -270270+1800+1800。是广泛应用的温度检测是广泛应用的温度检测系统系统. .常用来测量中高温。常用来测量中高温。-81、工作原理与热电效应、工作原理与热电效应将两种不同的导体或半导体两将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接端相接组成闭合回路，当两接点分别置于两种不同的温度时，点分别置于两种不同的温度时，则在回路中产生热电势，形成则在回路中产生热电势，形成回路电流回路电流. .这种现象称这种现象称塞贝克效塞贝克效应应，即，即热电效应热电效应. .

8、 热电偶回路产生的热电势由热电偶回路产生的热电势由接触电势接触电势和和温差电势温差电势两部分组两部分组成。成。 测温时，将焊接的一端置于被测温度场中，称为测量端测温时，将焊接的一端置于被测温度场中，称为测量端（或工作端、热端）。另一段一般要求恒定在某一温度，（或工作端、热端）。另一段一般要求恒定在某一温度，称为参考端（或自由端、冷端）。称为参考端（或自由端、冷端）。0TTA AB B图图7 7- -2 2 热热电电偶偶回回路路-9热电势的产生热电势的产生扩散作用电场作用+-金属A金属Bv不同金属具有不同的电子密度；v两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场热电现象；v电子在扩散作用和电场力作

9、用下最终达到平衡；v电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。自由电子密度大自由电子密度小10接触电势与温差电势接触电势与温差电势AtAtABNNektteln)(接触电势：接触电势：温差电势：同一根导体两端处于不同的温度，导体中会产生温差电势（很小可忽略不计） 。K：波尔兹曼常数，e：单位电荷电量n，N为自由电子密度。-11热电偶回路的总的热电势热电偶回路的总的热电势 接触电势的大小与不同导体的电子密度及接点处温度高接触电势的大小与不同导体的电子密度及接点处温度高低低 有关有关. .回路热电势的大小回路热电势的大小仅与仅与材料和端点的温度材料和端点的温度有关，有关，与与热电偶的尺寸形状无

10、关热电偶的尺寸形状无关。 )()()()(),(000tetetetettEABABBAABAB 当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度的单值函数的单值函数0TTA AB B图图7 7- -2 2 热热电电偶偶回回路路-122、热电偶基本定律、热电偶基本定律如下：中间导体定律中间导体定律：如果插入热电偶回路的第三根导线两端的温度相同，将不影响整个回路总的热电势。),(),(),(00ttEttEttEcABcABAB等值替代定律等值替代定律：在某一温度范围内如果产生的热电势相同，则两支热电偶在此温度范围内可互相代用。均质导体定律均质导体定律：由

11、同一种均质导体组成的闭合回路不可能产生热电势。中间温度定律中间温度定律：133、标准化热电偶与分度表、标准化热电偶与分度表热电偶的材质要求热电偶的材质要求v单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；v热电性质稳定；v化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；v具有较好的延展性，易于加工；v复现性好，便于批量生产和互换。几种型号（分度号）的国际标准化热电偶正极负极长期工作：1300 oCS：铂铑10-铂，-501768oC;K：镍铬-镍硅，-2701372oC;长期工作：900 oC14热电偶的热电特性使冷端保持使冷端保持0 0时，得到热电偶的时，得到热电偶的 热电特性热电特性-15温度的计算当已知

12、冷端温度当已知冷端温度不等于不等于0 0摄氏度时摄氏度时，如何计算，如何计算所测的温度值所测的温度值? ?)0,(),()0,(00tEttEtE回路的热电势差表可得热电偶的分度表见附录一：第95页164、补偿导线补偿导线问题引出：问题引出：热电偶一般由贵金属制成，热电偶一般由贵金属制成，热电极长度有热电极长度有限；限；生产现场距控制室较远；生产现场距控制室较远；热电偶冷端热电偶冷端暴露于空间，易受周围环境温度影响。暴露于空间，易受周围环境温度影响。解决方法：解决方法：把热电偶的冷端延伸到远离被把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方。测对象且温度比较稳定的地方。选用一种具有和所连

13、接的热电选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线。是廉价金属导线。补偿导线功功 能：能：v其一其一延长了热电偶的冷端延长了热电偶的冷端；v其二是降低了成本。其二是降低了成本。造成浪费造成浪费17带有补偿导线的热电偶测温原理。显示仪表AB补偿导线ABt1t218使用补偿导线应注意的问题：使用补偿导线应注意的问题：不同的热电偶配不同的补偿导线；补偿导线有正（绝缘层为红色）、负极，分别接热电偶的正、负极；补偿导线两个接点的温度应相同补偿导线的作用只是延伸了热电偶的冷端，当冷端温度不等于0时需要对冷端温度进行补偿。195、热电偶的冷端温度补偿 热电偶

14、的热电动势大小与热电极材料和两节点的温度热电偶的热电动势大小与热电极材料和两节点的温度有关有关, ,同时热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表同时热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电偶参考端温度等于零为条件的。但实际上都是以热电偶参考端温度等于零为条件的。但实际上, ,冷冷端温度受周围温度的影响不可能保持为端温度受周围温度的影响不可能保持为 C C 或某一常数。或某一常数。因此要测出实际温度就必须采取修正或补偿措施。因此要测出实际温度就必须采取修正或补偿措施。常用的补偿方法有： 冷端温度保持 C C法；冷端温度修正法；校正仪表校正仪表零点法零点法；补偿电桥法补偿电桥法；补偿热电

15、偶法；补偿是相对的，因此有一定误差！补偿是相对的，因此有一定误差！20冷端温度保持C法；1 1）冷端温度保持 C C法: :使冷端温度处于C 。例如：将冷端放在盛有绝缘油的试管中，再置入装满冰水混合物冰水混合物的容器中,容器维持在C不变，精度高。用在实验室和精密用在实验室和精密测量，测量，“冰浴法冰浴法”21冷端温度修正法冷端温度修正法；校正仪表零点法校正仪表零点法2 2）修正法）修正法)0,(),()0,(00tEttEtE3 3）校正仪表零点法校正仪表零点法设：冷端温度恒为设：冷端温度恒为t t0 0（t t0 000）, ,被测温度为被测温度为t t ！修正公式修正公式如下：如下：被测温

16、度 t 的热电势测量得出的热电势 冷端 t0的热电势将显示仪表的机械零点调至将显示仪表的机械零点调至t t0 0处，相当于在输入热电偶处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t(t0 0 ,0) ,0)。22例：例：用用S S型热电偶测温，热电偶的冷端温度型热电偶测温，热电偶的冷端温度t t0 0=20=20，测得，测得热电势为热电势为7.32 mv7.32 mv，求被测对象的实际温度，求被测对象的实际温度t t 。由分度表查得由分度表查得 E (20,0 ) = 0.113 mv E (20,0 ) = 0.113 mv 则则 ： E (t,

17、 0) = E (t, tE (t, 0) = E (t, t0 0)+E (t)+E (t0 0, 0) , 0) = 7.32 + 0.113 = 7.32 + 0.113 = 7.434 mv = 7.434 mv 再查分度表得其对应的被测温度再查分度表得其对应的被测温度t = 808t = 808解：解：23补偿电桥法；补偿电桥法；4 4）、补偿电桥法）、补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电势来补偿热：利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。v铜电阻v蜢铜电阻v电桥平衡时的温度v显示仪表的起始点 （机械零点）

18、在在2020平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到2020。24补偿热电偶法；补偿热电偶法；256 6、热电偶的结构、热电偶的结构p普通型普通型 通常由热电极、绝缘套管、保护管和通常由热电极、绝缘套管、保护管和 接线盒接线盒等主要部分组成等主要部分组成.p2. 铠装热电偶铠装热电偶 它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体密封和装配等工艺制成的坚实的组合体.p3. 薄膜热电偶薄膜热电偶.p4. 表面热电偶表面热电偶.26普通型普通型热电偶的结构热电偶的结构-27铠装铠装热电偶的结构热电偶

19、的结构-28四、热电阻测温四、热电阻测温1、金属热电阻、金属热电阻 (热电阻热电阻)2、半导体热电阻、半导体热电阻 (热敏电阻热敏电阻)电阻的热效应电阻的热效应:利用金属电阻随温度变化的规律进行测量。 T R热电阻材料要求：材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。可加工性，且价格便宜。291、金属热电阻、金属热电阻 (热电阻热电阻)铜电阻：铜电阻

20、：测温范围：测温范围：5050150 150 C C ； R Rt t=R=R0 0(1+(1+ t t) )；近似线性；近似线性；温度t时的电阻值 铂电阻铂电阻测温范围：测温范围：200200850 850 C C ；R Rt t=R=R0 0(1+(1+AtAtBtBt2 2 CtCt3 3) )； 当当0 0650650 C C 分度号：分度号： Pt10, Pt100Pt10, Pt100温度升高，阻值增加。温度升高，阻值增加。结构形式和热电阻的接线方式。与热电偶的比较。结构形式和热电阻的接线方式。与热电偶的比较。温度0时的电阻值 分度号：分度号： Cu50, Cu50, Cu100Cu10030工业热电阻工业热电阻 的的基本结构基本结构31工业热电阻工业热电阻 的的引线形式引线形式322、半导体热电阻、半导体热电阻 (热敏电阻热敏电阻)负负电阻温度系数的热敏电阻电阻温度系数的热敏电阻（NTC型）型）指数关系指数关系优缺点优缺点33热敏电阻热敏电阻结构形式结构形式34五、辐射