自动检测和过程控制教学课件汇总完整版电子教案全书整套课件幻灯片(最新)

1、自动检测和过程控制(第4版)电子课件 上篇 自动检测自动检测技术主要介绍工业过程控制中温度、压力、流量、物位、成分、机械量等的检测原理、方法与检测仪表。内容如下：检测技术基础流量测量与仪表物位检测仪表成分分析仪表温度检测与仪表压力检测与仪表机械量测量与仪表显示仪表新型检测技术与仪表 第一章 自动检测技术基础本章介绍自动检测技术、仪表的基本概念与有关测量误差及处理的基本原理与方法。第一节 自动检测的基本概念第二节 测量误差及处理方法 第三节 测量不确定度第一节 自动检测的基本概念一、检测检测即测量，是为准确获取表征被测对象特征的某些参数的定量信息，利用专门的技术工具，运用适当的实验方法，将被测量

2、与同种性质的标准量(即单位量)进行比较，确定被测量对标准量的倍数，找到被测量数值大小的过程。 二、检测的基本方法检测方法是实现检测过程所采用的具体方法。根据检测仪表与被测对象的特点，检测方法主要有以下几种：(1)接触式与非接触式;(2)直接、间接与组合测量；(3)偏差式、零位式与微差式测量。还有其他的分类(如根据物理量、检测原理)。三、检测仪表的组成检测仪表是实现检测过程的物质手段，是测量方法的具体化，它将被测量经过一次或多次的信号或能量形式的转换，再由仪表指针、数字或图像等显示出量值，从而实现被测量的检测。 电量/数字量电量物理量检测仪表的组成框图被测对象传感器变送器显示、记录装置(一) 传

3、感器传感器也称敏感元件，一次元件，其作用是感受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种函数关系的输出信号。传感器分类：根据被测量性质分为机械量传感器、热工量传感器、化学量传感器及生物量传感器等；根据输出量性质分为无源电参量型传感器(如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等)与发电型传感器(如热电偶传感器、光电传感器、压电传感器等)。 (二) 变送器其作用是将敏感元件输出信号变换成既保存原始信号全部信息又更易于处理、传输及测量的变量，因此要求变换器能准确稳定的实现信号的传输、放大和转化。 (三) 显示(记录)仪表 也称二次仪表，其将测量信息转变成人感官所能接受的形式，是实现人机对话的主要环节。显

4、示仪表可实现瞬时或累积量显示，越限和极限报警，测量信息记录，数据自动处理，甚至参量调节功能。一般有模拟显示、数字显示与屏幕显示三种形式。 四、检测仪表的分类按被测参数性质分：过程参数(温度、压力、流量、物位、成份 )、电气参数(电能、电流、电压等)与机械量(位移、速度、振动等)；按使用性质分类：实用型、范型和标准型；其他分类方式：工作原理不同，分为模拟式、数字式和图像式等；按仪表功能的不同，可分为指示仪、记录仪、积算仪等；按仪表系统的组成方式的不同，分为基地式仪表和单元组合式仪表；按仪表结构的不同，分为开环式仪表与闭环式(反馈式)仪表。 五、检测仪表的主要性能指标静态性能指标:不必考虑仪表输入

5、量与输出量之间的动态关系而只需考虑静态关系，联系输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。动态性能指标:是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的特性，其反映测量仪表对随时间变化的被测量所响应的性能，通常采用时域特性与频域特性等来表征。以下仅介绍静态性能指标。(一)测量范围与量程测量范围:指在正常工作条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围，测量范围用下限值ymin至上限值ymax来表示，即ymin ymax。测量量程:为测量范围上限与下限的代数差，即 yFS=ymax-ymin (二)准确度定义：准确度也称精确度，是指测量结果与实际值相一致的程度，是测量的一个基本特征。 max仪表所允许

6、的误差界限，即允许误差； yFS 仪表量程。通常用准确度(精度)等级来表示仪表的准确度，其值为准确度去掉“符号”及“%”后的数字再经过圆整取较大的约定值。 准确度等级(精度等级)国际法制计量组织(OIML)建议书No.34推荐，仪表的准确度等级采用以下数字： (1,1.5,1.6,2,2.5,3,4,5,6)10n ,n=1,0,-1,-2,-3等上述数列中禁止在一个系列中同时选用1.510n和1.610n，310n也只有证明必要和合理时才采用。我国自动化仪表精度等级【GB/T13283-2008】有0.01、0.02、(0.03)、(0.05)、0.1、0.2、0.25、(0.3)、(0.4

7、)、0.5、1.0、1.5、(2.0)、2.5、4.0、5.0等级别(括号内的精确度等级不推荐采用)。一般科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用仪表多在0.15.0级，其中校验用的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.55.0级。例1：某压力表的量程为10MPa，测量值的允许误差为0.03MPa，则仪表的准确度等级为？解： 0.03/10100%=0.3% 因为我国的自动化仪表精度等级中不推荐采用0.3级仪表，所以仪表的准确度等级应为0.5级。(三) 线性度仪表实测输入输出特性曲线与理想线性输入输出特性曲线的偏离程度(如图)。用实际输入输出特性曲线与理想输入输出特性曲线间最大

8、偏差值m与量程yFS之比百分数来表示，如图。 仪表线性度示意图1-实测曲线;2-理想曲线(四)变差变差也称回差或迟滞误差，在外界条件不变的前提下，使用同一仪表对某一参数进行正反行程(即逐渐由小到大和逐渐由大到小)测量，两示值之差为变差，变差反映仪表检验时所得的上升曲线与下降曲线经常出现不重合的现象。原因：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。 (五)重复性重复性指在测量装置在同一工作环境，被测对象参量不变的条件下，输入量按同一方向做多次（三次以上）全量程变化时，输入输出特性曲线的一致程度。用输入输出特性曲线间最大偏差值R与量程yFS之比百分数来表示，如图。 XyFSx

9、yDR0(六)分辨力分辨力是指仪器能检出和显示被测信号的最小变化量，是有量纲的数。分辨率是指仪器分辨力除以仪表的量程。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。而最大示值的倒数为数字表的分辨率。例如，3位表的最大示值为1999，则分辨率为： 1/19991/2000=0.0005= 0.05% 即万分之五。 第二节 测量误差及处理方法在测量过程中，由于测量方法的差异性，测量工具准确性，观测者的主观性、外界条件的变化及某些偶然因素等的影响，使得被测量的测量结果与客观真值之间总存在一定的差值，这种差值称为测量误差。

10、一、测量误差(一) 测量误差的表示方法1、绝对误差被测量的测量值(xi)与真值(x0)之差。即 =xi- x0真值x0是指被测量的客观真实值，有以下几种取法：理论真值：理论上存在、计算推导出来，如三角形内角和180。约定真值：国际上公认的最高基准值。如：基准米,定义米是1299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。相对真值：利用高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值标准仪器的测量标准差 1/3 测量系统标准差 检定。2、相对误差相对误差是指被测量的绝对误差与约定值的百分比，通常有三种表示方式：(1)实际相对误差：约定值为被测量的真值。 实=/x0 100%(2)给出值相对误差

11、：约定值可选“测量值”、“标称值”、“实验值”、“示值”、“刻度值”等。 给=/x 100%(3)引用误差：约定值为仪表量程yFS。 引=/ yFS 100%(二) 误差分类误差产生的原因很多，表现形式也是多种多样，可从不同角度对测量误差进行分类:1、按误差出现规律分分为系统误差、随机误差和粗大误差。(1)系统误差(system error)： 指在偏离测量规定条件时或由于测量方法引入的因素所引起的、按某确定规律变化的误差，它反映了测量结果对真值的偏离程度，可用“正确度”的概念来表征。 性质：有规律，可再现，可以预测。原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差。处理：理论分析、实验验证 修正

12、。正态分布性质：原因：装置误差、环境误差、使用误差处理：统计分析、计算处理 减小对称性有界性抵偿性单峰性绝对值相等的正负误差出现的次数相等绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多偶然误差绝对值不会超过一定程度(2)随机误差(random error)：指在实际条件下多次测量同一个量时，如果误差的绝对值和符号以不可预定方式变化的误差，它反映了测量结果的分散性，可用“精密度”的概念来表征。 当测量次数足够多时，其算术平均值趋于0性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起。原因：装置误差、使用误差。处理：判断、剔除。(3) 粗大误差( abnormal error )：指由于错误的读取

13、示值，错误的测量方法等所造成，明显歪曲了测量结果的误差。这种测量值一般称为坏值或异常值，应根据一定的规则加以判断后剔除。 在实际应用中,系统误差、随机误差、粗大误差三种误差的划分并非一成不变。粗大误差系统误差随机误差较为随机时有规律时较大时较多时较大时较多时2、按仪表工作条件分按仪表工作条件，误差可分为基本误差与附加误差两类：(1)基本误差:仪表在规定的正常工作条件下(例如电源电压和频率、环境温度和湿度等)所具有的误差。通常在正常工作条件下的示值误差就是指基本误差。仪表的精确度等级通常是由基本误差所决定。 (2)附加误差:仪表偏离规定的正常工作条件时所产生的与偏离量有关的误差。 二、误差的分析

14、与处理(一)系统误差的分析与处理 1、系统误差的分类 系统误差按其表现形式可分为定值系统误差(大小、方向不变)和变值系统误差(按照一定的规律变化:又可分累积系统误差、周期系统误差和复杂变化系统误差)两类。2 、系统误差的减小或消除(1)检定修正法；(2)直接比较法；(3)置换法；(4)差值法；(5)交换比较法。 (二)粗大误差的处理实际中通常采用统计判别方法(有莱以达准则、肖维勒准则、格拉布斯准则等方法)来判断测量结果中是否存在粗大误差。其中莱以达准则是最常用也是最简单的判别粗大误差的准则，它应用于测量次数充分多的情况。 (三)随机误差的分析与处理随机误差处理通常采用统计方法：(1)将多次测量

15、的算术平均值作为真值的最佳近似；(2)在对测量结果进行评定时，约定系统误差和粗大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑随机误差，其服从正态分布。具体过程如下。1、算术平均值对已消除系统误差的一组等精度测量值x1, x2, xn,其算术平均值为： 当测量次数n足够大时，算术平均值是被测参数真值x0(或数学期望)的最佳估计值，即可用算术平均值代替真值x0。 2、残差 测量值xi与平均值之差称为残差。如果将n个测量值残差求代数和，其值为0，即： 3、总体标准偏差 由随机误差的性质可知，它服从于统计规律，其对测量结果的影响一般用标准误差来表示，即 4、实验标准偏差 在实际测量中，一般用n(n3s原则，剔

16、除坏值，并从(2)重新计算；(6)判断有无系统误差，如有系差，查明原因，重新测量；(7)求算术平均值的标准偏差：(8)得出最终表达式，即：(五)测量系统误差的合成 测量系统一般由若干个单元组成，测量过程中各个环节都产生误差，为了确定整个系统的误差，需要将每一个环节的误差综合起来，称为误差的合成。1、系统误差的合成 (1)已定系统误差的合成：大小和正负已知的系统误差称为已定系统误差，它们的数值分别为E1, E2, Em，则已定系统误差采用代数和的方法进行合成 (2)未定系统误差：难以知道或不能确切掌握大小和方向的系统误差称为未定系统误差，它们的数值分别为e1, e2, en，总的未定系统误差为

17、2、随机误差的合成 设测量结果中有k个彼此独立的随机误差，各单项的均方根误差分别为1,2,k，按方和根的方法综合k个彼此独立的随机误差的均方根误差：3、误差综合若待测参数的系统误差为E(已定)和e (未定)，随机误差为k，且相互独立，系统总的合成误差y可用下式表示 ：例2:用电压表对某电压进行16次测量(见下表)。要求给出包括误差在内的测量结果表达式。序号xivivivi2|vi|12345678910111213141516205.30204.94205.63205.24206.65204.97205.36205.16205.71204.70204.86205.35205.21205.192

18、05.21205.320.00-0.36+0.33-0.06+1.35-0.33+0.06-0.14+0.41-0.60-0.44+0.05-0.09-0.11-0.09+0.02+0.09-0.27+0.42+0.03-0.24+0.15-0.05+0.50-0.51-0.35+0.140.00-0.020.00+0.110.00810.07290.17640.0009-0.05760.02250.00250.25000.26010.12250.01960.00000.00040.00000.01210.090.270.420.03-0.240.150.050.500.510.350.140

19、.000.020.000.11解：求算术平均值计算残差ni(列于表中)，且Sni =0。计算标准差s：按D=3s=1.3302原则(莱依特准则)知x5=206.65为坏值(1.351.3302)，剔除。重新计算剩余15个数据的平均值、残差、标准差，并判断有无坏值：显然剩余15个数中已无坏值。检查测量数据中是否含有系统误差【以下用贝塞尔公式与佩捷斯公式求得s1、s2之值比较来判断。也可对vi 作图，判断有无系统误差】。求算术平均值的标准偏差：得出最终表达式，即：第三节 测量不确定度一、 基本概念测量不确定度是评定测量结果质量的一个重要指标，是误差理论发展和完善的产物，是建立在概率论和统计学基础上

20、的新概念，在检测技术中具有十分重要的地位。(一)定义 测量不确定度(Uncertainty of measurement)是表征合理地赋予被测量值的分散性并与测量结果相联系的参数。 (二)测量误差与测量不确定度的区别 测量误差和测量不确定度是误差理论中的两个重要且不同的概念，它们都可用作测量结果准确度评定的参数，是评价测量结果质量高低的重要指标：(1)误差是不确定度的基础，研究不确定度首先需要研究误差，只有对误差的性质、分布规律、相互联系及对测量结果的误差传递关系等有了充分的了解和认识，才能更好地估计各不确定度分量，正确得到测量结果的不确定度，用测量不确定度表示测量结果，易于理解、便于评定，具

21、有合理性和实用性。(2)测量不确定度的内容不能包罗更不能取代误差理论的所有内容，不确定度是现代误差理论的内容之一，是对经典误差理论的一个补充。 二、测量不确定度的分类与表达 不确定度按照其评定方法的不同，可以分为A类评定(type A evaluation of uncertainty)和B类评定(type B evaluation of uncertainty) 。A类评定是指对样本观测值用统计分析的方法进行不确定度评定，用标准偏差来表征。而B类评定则是指用不同于统计分析的其他方法进行不确定度评定的方法，据经验或资料及假设的概率分布估计的标准偏差表征。实际使用时，根据表示方式的不同，不确定度

22、常常用到三种不同的术语：标准不确定度、合成不确定度和扩展不确定度。标准不确定度、合成不确定度和扩展不确定度(1)以标准偏差表示的不确定度就称为标准不确定度，用u表示。测量结果通常由多个测量数据子样组成，对表示各个测量数据子样不确定度的偏差，称为标准不确定度分量，常加小脚标进行表示，如u1,u2,un等。(2)由各不确定分量合成的标准不确定度，称为合成标准不确定度，当间接测量时，即测量结果是由若干其他量求得时，测量结果的标准不确定度等于各其他量的方差和(或)协方差加权和的正平方根，用符号uc表示。(3)考虑到被测量的重要性、效益和风险，在确定结果的分布区间时，合理的地将不确定度扩展k倍，从而得到

23、扩展不确定度，用U或Up表示。在合成标准不确定度uc(y)确定之后，乘以一个包含因子k，即扩展不确定度U=kuc(y)，其中k为包含因子(置信系数)，一般取23，取3时应说明来源。 三、标准不确定度的评定 (一)标准不确定度的A类评定A类标准不确定度的评定通常采用标准偏差及自由度来表征，必要时要给出估计协方差：(1)若测量值的个数为n，被测量的个数为t，则自由度v=n-r；若另有r个约束条件，则v=n-r-t。(2)在同一条件下对被测参量x进行n次等精度测量，测量值为xi(i=1，2，n)，则测量结果的标准不确定度UA为(算术平均值标准差)：(二)标准不确定度的B类评定1、 B类评定的信息源B

24、类评定方法获得的不确定度不依赖于对样本数据的统计，而是设法利用与被测量有关的其他先验信息来进行估计。可以作为B类评定的信息来源有许多，常用的有以下几种： (1)过去的测量数据；(2)校准证书、检定证书、测试报告及其他证书文件；(3)生产厂家的技术说明书；(4)引用的手册、技术文件、研究论文和实验报告中给出的参考数据及不确定度值等；(5)测量仪器的特性和其他相关资料等；(6)测量者的经验与知识；(7)假设的概率分布及其数字特征。2、B类标准不确定度的评定方法(1)若由先验信息给出测量结果的概率分布及其“置信区间”和“置信水平”，则标准不确定度u(xi)为该置信区间半宽a与该置信水平p下的包含因子

25、kp的比值，即u(xi)=a/kp；(2)若由先验信息给出的测量不确定度U为标准差的k倍时，则标准不确定度u(xi)为该测量不确定度U与倍数k的比值，即u(xi)=U/k；(3)若由先验信息给出测量结果的“置信区间”及其概率分布，则标准不确定度为该置信区间半宽b与该概率分布置信水平接近1的包含因子k1的比值，即u(xi)=b/k1 。合理确定其测量分布及其在该分布置信水平下的包含因子是关键。具体 可参见表1-1和表1-2。表1-1 正态分布置信水平p与包含因子kp表1-2 非正态分布置信水平p与包含因子kp pkppkppkp0.50000.6670.95001.9600.99502.8070

26、.68271.0000.95452.0000.99733.0000.90001.6450.99002.5760.99903.291p=1p=0.9973p=0.99p=0.95均匀分布 1.731.711.65三角分布 2.322.201.90反正弦分布 1.411.411.41两点分布 1.001.001.001.00当无法确定分布类型时，GUM(Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)建议采用均匀分布。 (三)标准不确定度合成 由各不确定分量合成的标准不确定度，称为合成标准不确定度，用符号uc表示:式中ui 第i个标准不确

27、定度分量； ij 第i和第j个标准不确定度分量之间的相关系数； m 不确定度分量的个数。标准不确定度传播公式(间接测量)对于间接测量的情形，标准不确定度可用如下公式(标准不确定度传播公式) 计算：函数F(Xl,X2,Xn)在(x1, x2, xn)处的偏导数，称为灵敏系数，在误差合成公式中称其为传播系数；其余同上。(四)扩展不确定度的评定 扩展不确定度有两种不同的表示方法：(1)用合成标准不确定度uc乘以包含因子k，即U=kuc 。 (2)根据给定的置信概率或置信水平p来确定扩展不确定度，即Up=kpuc 。扩展不确定度的评定关键是确定包含因子，其方法主要有自由度法(degrees of fr

28、eedom method)、超越系数法(kurtosis method)和简易法(simplified method)三种。 (五)测量结果与测量不确定度的表示 测量结果的完整表达式中应包含：测量值、不确定度、单位、置信水平、扩展因子。常见的测量结果的表达形式：X=xU (单位)，(P=0.9/0.95/0.99)， K=2或3其中，P=0.95，k近似为2是工程习惯常用值可缺省，不必注明P值，而其余P值均应标注。本章结束谢 谢!第二章 温度检测与仪表第一节 温标及测温方法 第二节 热电偶温度计第三节 电阻温度计第四节 辐射温度计 第五节 测温仪表的选择及安装 第六节 新型温度传感器 第七节

29、工业特殊测温技术第一节温标及测温方法 一、温标 温度的数值表示称为温标。它利用一些物质的“相平衡温度”作为固定点刻在“标尺”上，而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系(内插函数或称为内插方程)来描述。各类温度计的刻度均由温标确定。温标三要素：温度计、固定点和内插方程。温标不是温度标准(Temperature Standard)，而是温度标尺(Temperature Scale)的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标(美国)、摄氏温标、热力学温标等。温标名称有关规定华氏温标（ ）1714年， Fahrenheit把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点(212 和32

30、 )，这两个温度点之间用水银温度计分成180等份，每等份定为1华氏度()。遗憾：把冰点定为32度而不是0度。 列氏温标(oR)1731年Raumur提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为列氏80度。因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到1080单位。 摄氏温标 ()1742年Celsius提出：最初定义“水的冰点定为一百摄氏度，沸点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度”。第二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，ITS-90有专门定义。开氏温标 (K)1854年Kelvin提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等分为273.1

31、6份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，t(1)=T(1K)。兰氏温标(oR)Rankine 温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度(oR) ，中间分成180等分，每一等分为1oR 。几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度=华氏度= 1.8摄氏度+32华氏度= 1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32=开氏度=摄氏度+273.15开氏度= 1.25列氏度+273.15开氏度= 5(

32、华氏度-32)/9 +273.15开氏度= 5兰氏度/9 热力学温标/开氏温标/绝对温标(K) 热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文(Kelvin)根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标，其起点为绝对零度，故又称绝对温标。它的符号是T，单位是开尔文(K)。威廉汤姆逊开尔文勋爵像国际实用温标(IPTS-90/ITS-90) 国际实用温标(international practical temperature scale)也称国际温标，是一种国际协议性温标，它与热力学温标接近，且复现精度高，使用方便。国际计量委员会第18界国际计量大会(CGPM)第七号决议，授权予19

33、89年会议通过“1990国际温标ITS-90”，并从1990年1月1日开始在全世界范围内采用【我国1994.1.1开始全面实施】。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K(0.01C)等。 二、测温方法及分类 测温方法很多种，可分为：按测量方法可分为接触式和非接触式；按工作原理可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等；按用途分，有基准温度计和工业温度计。 应用热膨胀原理测温 测量原理物体受热时产生膨胀 液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计 玻璃管温度计 双金属温度计体积热膨胀式 不需要电源，耐用；但

34、感温部件体积较大。 气体的体积与热力学温度成正比接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测

35、量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。 第二节 热电偶温度计热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小等特点，输出信号为电信号便于远传或信号转换。热电偶可用来测量流体、固体以及固体壁面的温度，微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。赛贝克实验与赛贝克效应(热电效应) 1821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点，发现放在回路中的指南针发生偏转，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。【结论】指南针的偏转说

36、明：不同金属组成闭合回路时，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点的温差有关。 一、热电偶测温原理热电偶温度计是根据热电效应工作的。当两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路(如下图)，如果两个结合点处的温度不相等，则回路中就会有电流产生。也就是回路中会有电动势存在，这种现象叫做热电效应，该效应首先由赛贝克发现，故也称赛贝克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB冷端热端自由端工作端热电偶有关术语两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路，如果两个结合点处的温度不相等，则该回路中就会有电动势产生，称该现象

37、为热电效应。回路中所产生的电动势称为热电势。称导体A,B为热电极。其中一个接点通常是焊接在一起被置于测温场感受被测温度，称为测量端、热端或工作端；而另一个接点远离测量端，且要求温度恒定，称为自由端、冷端或参比端。(一)接触电势电子密度不同的导体或半导体材料相互接触时，在其接点处产生电势，该电势主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低：式中 NA(T)和NB(T) 材料A和B在温度T时的电子密度； e 单位电荷，4.80210-10绝对静电单位； K 波尔兹曼常数，1.3810-23J/； T 材料温度，K。NANB(二)温差电势由于两端温度不同，在导体或半导体材料两端产生电势，温差电势的方向

38、是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关 ：式中 N材料的电子密度，是温度的函数； T,T0材料两端的温度； t沿材料长度方向的温度分布。E(T,T0)(三)热电偶闭合回路的总热电动势 闭合回路总热电动势应为接触电势和温差电势的代数和，即 ：结论：(1)只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，且两端温度必须不同；(2)热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布无关。二、 热电偶的基本定律(性质)(一)均质材料定律 由一种均质材料组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。它要求组成热电偶的两种

39、材料A 和B必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加热电势，引入不均匀性误差。因此在进行精密测量时要尽可能对电极材料进行均匀性检查和退火处理。该定律是同名极法检定热电偶的理论根据。(二)中间导体定律在热电偶测温回路中插入第三种(或多种)导体(如图中导体C)，只要其两端温度相同，则热电偶回路的总热电势与串联的中间导体无关【证明请参考教材2.2.2.2节】。应用：金属熔体温度与金属表面温度测量。 (三)中间温度定律在热电偶测温回路中，测量端的温度为T，连接导线各端点的温度分别为Tn和T0(见图)，如A与A，B与B的热电性质相同，则总的热电动势等于热电偶的热电动势EAB(

40、T,Tn)与连接导线的热电动势EA B (Tn ,T0)的代数和，其中Tn为中间温度，即 EABBA(T,Tn,T0)= EAB(T,Tn)+ EAB (Tn,T0) = EAB(T,Tn)+ EAB (Tn,T0)中间导体定律和中间温度定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。(四)参考电极定律 两种导体A，B分别与参考电极C(标准电极)组成热电偶(如图)，如果它们所产生的热电动势为已知，那么，A与B两热电极配对后的热电动势可按下式求得：EAB(t,t0)= EAC(t,t0)+ ECB(t,t0)人们多采用高纯铂丝作为参考电极，这样可大大简化热电偶的选配工作。 三、热电偶结构典型工业用

41、热电偶结构如图所示。它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。热 电 极：一般金属0.53.2mm，昂贵金属0.30.6mm，长度与被测物有关，一般在3002000mm，通常在350mm左右。绝 缘 管：隔离热电偶与被测物，一般在室温下要5M以上。保护套管：避免受被测介质的化学腐蚀或机械损伤。接 线 盒：固定接线座，连接补偿导线。热电极材料要求(1) 应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势E(t)和温度t之间尽可能地呈线性函数关系；(2) 能应用于较宽的温度范围，物理化学性能

42、、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能；(3) 要求热电偶材料有较高的导电率和较低的电阻温度系数；(4) 具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，便于采用统一的分度表。 普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶结构接线盒引出线套管 固定螺纹 (出厂时用塑料包裹)热电偶工作端(热端) 不锈钢保护管 四、热电偶的分类 (一)标准热电偶 国际电工委员会(IEC)推荐的工业用标准热电偶为八种(目前我国的国家标准与国际标准统一)： B 、R、S、K、N、E、J、T 。S、R、B三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，称贵金属热电偶。K、N、T、E、J五种

43、热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，称为廉价金属热电偶。工业用标准热电偶基本性能见表2-1。表2-1 工业用热电偶测温范围 名称分度号测量范围/适用气氛稳定性铂铑30铂铑6B2001800氧化、中性1500，良铂铑13铂R-401600氧化、中性1400，良铂铑10铂S镍铬镍硅(铝)K-2701300氧化、中性中等镍铬硅镍硅N-2701260氧化、中性、还原良镍铬康铜E-2701000氧化、中性中等铁康铜J-40760氧化、中性、还原、真空500，差铜康铜T-270350氧化、中性、还原、真空-170200，优钨铼3钨铼25WRe3-WRe2502300中性、还原、真空

44、中等钨铼5钨铼26WRe5-WRe26(二)非标准化(特殊)热电偶 1、铠装热电偶结构：将热电偶丝用无机物绝缘及金属套管封装，压实成可挠的坚实组合体(如图)。特性：惯性小；挠性、机械强度及耐压性能好。适用场合：可用于快速测温或热容量很小的物体的测温部位，结构坚实可耐强烈的振动和冲击，还可用于高压设备上测温。1-金属套管；2-绝缘材料；3-热电极 铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管(铠体) BA绝缘 材料铠装型热电偶横截面2、快速微型热电偶特性：测温元件小，响应速度快，无需定期维修，准确度较高；适用场合：高温熔体(钢水、铁液等金属熔体)的温度测量。目前我国有两类快速

45、热电偶，即快速铂铑热电偶与快速钨铼热电偶。 1-外保护帽；2-U形石英管；3-外纸管；4-绝热水泥；5-热电偶自由端；6-棉花；7-绝热纸管；8-小纸管；9-补偿导线；10-塑料插件 3、薄膜式热电偶 结构特点：采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶，其热端接点极薄，约0.010.1m。适用场合：适于壁面温度300的快速测量。1-热电极；2-工作端；3-绝缘基板；4-引出线4、钨铼系热电偶 钨铼热电偶是最成功的难熔金属热电偶，可以测到24002800高温。它的特点是在高温下易氧化，只能用于真空和惰性气氛中。热电势率大约为S型的2倍，在2000时的热电

46、势接近30mV，价格仅为S型的1/10。WRe热电偶已成为冶金、材料、航天、航空及核能等行业中重要的测温工具。五、热电偶冷端温度补偿为什么要进行冷端温度补偿(1)根据热电偶测温原理【E(t,t0)f(t)f(t0)】，只有当参比端温度t0稳定不变且已知时，才能得到热电势E和被测温度t的单值函数关系。(2)实际使用的热电偶分度表中热电势和温度的对应值是以t0=0为基础的，但在实际测温中由于环境和现场条件等原因，参比端温度t0往往不稳定，也不一定恰好等于0，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。常用的冷端补偿方法有如下几种。(一)零度恒温法(冰浴法)这是一种精度最高的处理方法，可以使t0稳定地维持在0

47、。将碎冰和纯水的混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物中，在试管底部注入适量的油类或水银，热电偶的参比端就插到试管底部，满足t0=0的要求。 mVABT仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液AB(二)计算修正法原理：在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于已知的恒温条件，得到稳定的t0，故可根据分度表查得E(t0,0)；根据中间温度定律公式计算得到E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)。然后根据所测得的热电势E(t,t0)和查到的E(t0,0)二者之和再去查热电偶分度表，即可得到被测量的实际温度t。例1：用铜-康铜热电偶测某一温度t，参比端在室温环境tn中，测得热电动势

48、E(t,tn)=1.999mV，又用室温计测出tn=21，求实际温度t。解：查T分度号表得E(21,0)=0.830mV，故：E(t,0)= E(t,21)+E(21,0) =1.999+0.830=2.829(mV)再次查分度表，得实际温度t=68。注意：分度表中68对应2.820mV，69时的热电势为 2.864mV，实际温度应采用插值法计算出来。(三)冷端补偿器法 结构特点：R1=R2=R3=1，采用锰铜丝无感绕制，其电阻温度系数趋于零。R4用铜丝无感绕制，其电阻温度系数约为4.310-3-1，当温度为0时R4=1，R1-4组成不平衡电桥(补偿器)。仪表输入端电压为热电势EAB(t,t0

49、)与电桥不平衡电势Uba之和，即 EE(t,t0)+Uba。冷端补偿器补偿原理补偿原理：不平衡电动势Uba补偿(抵消)热电偶因冷端温度波动引起的误差。过程如下：t0E(t,t0)R4UaUba只要冷端补偿器电路设计合理，使Uba的增加值恰等于E(t,t0)的减少量，那么指示仪表所测得的总电势EE(t,t0)+Uba将不随t0而变，相当于热电偶参比端自动处于0。E=E(t,t0)+ Uba(四)补偿导线法 补偿导线是在一定温度范围内(包括常温)具有与所匹配的热电偶的热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线。用它们连接热电偶与测量装置，从而可将热电偶的参比端移到离被测介质较远且温度比较稳定的场合

50、，以免参比端温度受到被测介质的热干扰。t0变化频繁t0较为稳定1、补偿导线类型(1)按结构可分为普通型和带屏蔽层型；(2)按补偿原理分为补偿型及延伸型两种；(3)按使用温度可分为一般用(0100)和耐热用(0150)；(4)按精度可分为普通级与精密级。2、补偿导线作用(1)用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线，以节约贵金属热电偶；(2)将热电偶的参比端迁移至离被侧对象较远且环境温度较恒定的地方，有利于参比端温度的修正和测量误差的减少；(3)用粗直径和导电系数大的补偿导线作为热电偶的延长线，可减小热电偶回路电阻，以利于动圈式仪表的正常工作。3、补偿导线的使用(1)各种补偿导线只能与相应型号

51、的热电偶用； (2)使用时必须各级相连，切勿将其极性接反；(3)热电偶和补偿导线连接点的温度不能超过规定的使用温度范围，规定为0100及 0150两种。(五)仪表机械调零法(现场近似法)在不需精确测量的前提下，且热电偶冷端温度较为稳定，可将显示仪表的机械零点先调整到t0(按温度刻度)或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度)，从而实现近似补偿，参见下图。该法常见于动圈式仪表中。指针被预调到冷端温度(40 C )六、热电偶测温线路 (一)单点测温基本线路 53211热电偶；2补偿导线；3铜导线；4温度补偿电桥；5显示仪表4(二)多点测温基本线路 1工作端热电偶； 2工作端补偿导线； 3接线板； 4铜导

52、线； 5切换开关； 6数字显示仪； 7参比端补偿导线； 8参比端热电偶 (三)两点温度差的测量若热电动势E与温度T呈线性关系，则t=T1-T2。tBAABAABE=E1E2E1E2T1T2(四)多点平均温度的测量t 三个热电偶工作在线性区时代表着平均温度。每个热电偶需串联较大电阻，且分度与单个热电偶一样。某一热电偶坏了不易及时发现。BABABAT1T2T3(五)多点温度和测量t 三个热电偶工作在线性区时代表着多点温度之和。任一热电偶烧坏都可立即知道，且可得到较大的电动势。每一热电偶引出的补偿导线必须接到仪表的冷端处。BABABAT1T2T3第三节电阻温度计 一、热电阻测温原理 电阻温度计工作原

53、理就是当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，将变化的电阻值作为电信号输入显示仪表，通过测量电路的转换，在仪表上显示出温度的变化值。(一)铂热电阻 采用高纯度铂丝绕制成。具有测温精度高、性能稳定、复现性好、抗氧化性强等优点，是低温测温标准仪器。 绕制铂电阻感温元件的铂丝纯度是决定温度计精度的关键：(1)铂丝纯度愈高其稳定性、复现性越好、测温精度也愈高；(2)铂丝纯度常用R100/R0表示，R100和R0分别表示100和0条件下的电阻值。对于标准铂电阻温度计，规定R100/R0 1.3925；对于工业用铂电阻温度计，根据ITS-90，R100/R0=1.38511.3925。 铂电阻的电阻-

54、温度关系-200t0: Rt= R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0t850: Rt= R0 1+At+Bt2 当R100/R0=1.3851时，A=3.908310-3(-1); B=-5.77510-7(-2); C=-4.18310-12(-4) 铂电阻的分度号及允许误差表 铂热电阻测温范围分度号R0/ 最大允许误差/A级-200850Pt10Pt10010100(0.15+0.002|t|) B级Pt10Pt10010100(0.30+0.005|t|)(二)铜热电阻 在准确度要求不高，且温度较低的场合，可采用铜电阻测温。测温范围为-50150，分度号为Cu50和Cu100，

55、在0时R0的阻值分别为50和100。铜电阻电阻温度系数较大，价格便宜，但电阻率低，体积大，热惯性较大。铜电阻阻值-温度关系(ITS-90)为：Rt= R0 1+At+Bt(t-100)+ Ct2 (t-100) 式中A=4.28010-3(-1); B=-9.3110-8(-2); C=1.2310-9(-3)。铜热电阻的允许误差为：(0.30+0.006|t|)(三)其他热电阻1、镍热电阻特点：电阻温度系数较铂大，约为铂的1.5倍。在-50150内，其电阻与温度关系为 Rt=100+0.5485t+0.66510-3t2+2.80510-9t42、半导体热敏电阻半导体热敏电阻的电阻值随温度呈

56、指数变化。在许多场合下(-40350)，它已经取代传统的温度传感器。 电阻可以根据需要做成各种形状，由于体积可以做得很小，热惯性小，适合快速测温；电阻温度系数大，灵敏度较高；电阻值高，在使用时连接导线电阻所引起的误差可以忽略；功耗小，适于远距离的测量与控制。但它的稳定性和互换性较差。 根据材料组成的不同，热敏电阻的温度特性也不一样。按其温度特性有负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC和临界温度热敏电阻CTR。 二、热电阻的结构 工业热电阻的基本结构 直径1 mm的银丝或镀银铜丝云母、石英或陶瓷塑料双线无感绕法外接线路相连电阻丝和电阻支架三、热电阻测温线路 热电阻温度计的测量电路最常

57、用的是电桥电路，其测量原理图如图所示。图中从热电阻体的一端各引出一根连接导线，共两根导线，这种方式称为两线制接法。将热电阻及其连接导线作为电桥的一臂，利用该不平衡电桥将热电阻阻值转换为相应的输出电势，再送入显示(或控制)仪表G。内引线(白)内引线(红)热电阻丝E(a)原理图 (b) 内部引线方式二线制接法引线方式RtGR1R2R3外接线端内焊接点优缺点？三线制热电阻引线方式及测温电桥接法(a) 内部引线方式 ;(b) 接法一;(c) 接法二优缺点？自热效应与电路设计四线制热电阻引线方式及测温电桥接法(a) 内部引线方式；(b) 测量桥路及其等效电路优缺点第四节 辐射温度计 任何物体，其温度超过

58、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。而把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。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触。辐射测温方法广泛应用于900以上的高温区测量中，近年来随着红外技术的发展，测温的下限已下移到常温区，大大扩展了非接触式测温的使用范围。一、辐射测温原理 (一)普朗克定律 普朗克定律阐明了绝对黑体的辐射强度E0l与温度T及波长l的关系：式中l由物体发出的辐射波长，m； C1普朗克第一辐射常数，为3.742

59、10-16Wm2； C2普朗克第二辐射常数，1.43810-2mK； T物体的绝对温度，K。对于灰体，有El= e E0l， 其中0e 1 为灰体的辐射率，或称黑度系数。(二)维恩公式温度在3000K以下，即C2/(lT) 1时，普朗克公式可用如下的维恩公式代替：(三)斯忒潘玻耳兹曼定律 单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范围内的能量称为辐射力(emissive power)，其单位为Wm2。斯忒潘玻耳兹曼定律建立了物体总的辐射力E与热力学温度T间的定量关系，即：E=seT4式中 s 斯忒藩-玻尔兹曼常数，即黑体辐射常数，其值为5.669710-8Wm-2K-4

60、。辐射测温原理及有关问题由上面有关公式可知，在一定波长下，测量物体的辐射强度，可推算出其温度，这就是辐射温度计测温的基本原理。由测量原理可知，在辐射式测温中必须解决以下三个基本问题：(1)怎样测量辐射强度(2)怎样保证测量在一定波长(单色光)下进行(3)测量结果中如何考虑辐射率的影响二、亮度高温计依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度和其温度T的关系，可以测出物体的温度。类型：光学高温计；光电高温计；硅辐射温度计。(一)亮度与亮度温度 物体在高温状态下会发光，当温度高于700就会明显地发出可见光，具有一定的亮度。由维恩公式可知，绝对黑体在波长l一定(通常选l =0.66m)时，辐射强度El就只是温度