自动检测技术第五章

1第五章温度测量2温度的概念宏观上：是物体冷、热程度的表示。微观上：是物体内部分子运动平均动能的表示。温度不具有叠加性温标的研究。为了给温度以定量的描述，并保证测量结果的精确性和一致性，需建立一个科学的、严格的统一的标尺，称为温标。温标三要素：可实现的固定点温度；表示固定点之间温度的内插仪器；确定相邻固定温度点之间的内插公式；3摄氏温标（标准大气压）1、单位“℃”2、水冰点：0℃、水沸点：100℃；3、水银玻璃温度计；4、水银体积膨胀分100等份，每份为1℃。华氏温标1、单位“°F”2、氯化铵和冰水混合物为0°F，水的冰点为32°F，水的沸点为212°F，中间180等分，每份为1°F。温标—经验温标温度特性依赖于所选用测温物质的性质4热力学温标是建立在热力学基础上的理论温标。在温度为T1的高温热源放热Q1；在温度为T2的低温热源吸热Q2；温标—热力学温标热力学温标单位：K—开尔文（开或K）热力学温标：定义水的三相（固、液、气）共存温度（0.01℃）为273.16K。并以1/273.16为1K。国际公认的作为统一表述温度的基础，一切温度的测量仪均以热力学温度为准。5国际温标:ITS-90（记为T90）（InternationalTemperatureScale-1990）国际温标单位：K—开尔文（开或K）摄氏温度：t90热力学温度：T90t90=T90-273.15温标—国际温标6温度标准定期逐级的校验比较过程称为温度标准的传递。按照精度等级分为以下三类：1、基准温度计，工作基准温度计；2、一等标准温度计和二等标准温度计；3、工业用温度计。温度标准的传递7温度检测方法温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。分类按测量范围

按用途

超低温、低温、中高温、超高温标准仪表、实用仪表

按工作原理

膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计

按测量方式

接触式与非接触式

测温方式温度计种类测温范围℃优点缺点接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传双金属-80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆，能记录、报警，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大热电偶铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜0～1600-50～1000-50～600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低热电阻铂铜-200～600-50～150测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温，需注意环境温度的影响非接触式测温仪表辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难常用温度计的种类及优缺点膨胀式温度计双金属片

双金属温度信号器1双金属片；2调节螺钉；3绝缘子；4信号灯膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀

的性质而制成的。压力式温度计它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。压力式温度计结构原理图

1传动机构；2刻度盘；3指针；

4弹簧管；5连杆；6接头；7毛细管；

8温包；9工作物质应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。

温包

毛细管

弹簧管（或盘簧管）

11热电偶测温热电效应是热电偶测温的基本原理。把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，如果将两个接点分别置于不同的温度下，则该回路内部会产生热电势，这种现象称为热电效应。这个闭合回路称为热电偶。单独的导体或半导体称为电极。T:工作端、热端、测量端。T0:自由端、冷端、参考端。12由热电效应可知，闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成，表示为：由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，热电偶的电势也可表示为：产生热电势必须满足两个条件：1、两种接触点必须处于不同的温度2、热电偶必须使用两种不同的材料+，-，符号代表热电势的方向13热电偶均质导体定律1、热电偶必须由两种性质不同的导体构成。2、如由两种均质导体组成，则热电势仅与两接点温度有关，与沿热电极的温度分布无关。3、非均质导体相当于不同性质的热电极组成的热电偶，所以均质性是衡量热电偶质量的重要指标。14要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，串接的仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？要说明以上问题，首先介绍热电偶的一个基本定律，中间导体定律。热电偶中间导体定律热电偶回路中接入第三种导体后，如果接入导体两端的温度相同，则不会影响回路总电势。中间导体定律是接入导体和仪表测量热电势的条件和基础。15热电偶标准电极定律当接点温度为T和T0，用导体A，B组成的热电偶产生的热电势等于A，C热电偶和C，B热电偶的热电势的代数和，则导体C称为标准电极（一般由铂制成）。16热电偶连接导体定律工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。17=0热电偶中间温度定律只要得到参考端温度T0=0℃时的热电势，则通过测量中间温度的热电势EAB(T,Tn)，将两者直接求和，即可反映出测量端温度。这为热电势分度奠定了理论基础。18热电偶的材料1、两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系；2、能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）；3、具有较高的导电率和较低电阻温度系数；4、工艺性好，利于批量生产。19常用热电偶的材料、特点1、贵金属热电偶：铂铑10-铂（S偶），铂铑30-铂铑6(B偶)，铂铑13-铂（R偶），测温范围宽，性能稳定，精度高，热电势小，价格贵。2、廉价金属热电偶：镍铬-镍硅（K偶），镍铬-康铜（E偶），铜-康铜（T偶），灵敏度高，热电势大，热电特性线性度好，价格低，测温范围较窄。3、难熔金属热电偶：钨铼合金构成，用于高温测量。热电偶分度表热电偶正负极20热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒材料工作温度/℃橡皮、绝缘漆珐琅玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管80150500120014001700常用绝缘子材料常用保护套管材料材料工作温度/℃无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上23普通装配型

热电偶的外形安装螺纹安装法兰24常用热电偶的材料、特点铠装式热电偶：热电极、耐高温金属粉末（如氧化铝）、不锈钢套管三者一起拉细而组成一体，外径0.25-12mm不等。（科研用）特点：惯性小、性能稳定、结构紧凑、力学性能良好、抗振、可挠等。25铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）26隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒27常用热电偶的材料、特点薄膜式热电偶：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，形成薄膜热电偶。测量端接点极薄，0.01-0.1μm。基板为云母或浸渍酚醛塑料片等材料。测温范围一般在300℃以下。28热电偶的冷端冰点法补偿T0稳定的维持在0℃精度最高。溯源性好，用于热电偶校准。精度最高的处理方法。29热电偶的冷端热电势修正补偿把冷端置于已知的恒温条件，得到稳定的T0，根据然后得到实际温度T。30热电偶的冷端补偿器法补偿R4（铜丝）R1=R2=R３=1Ω(锰铜丝)Rg（限流）当T0=0℃时，R4=1Ω，四臂电阻相等，电桥平衡，桥路输出电压Uba=0。指示仪表总的热电势为：31热电偶的冷端补偿器法补偿当T0↑→R4↑→a点电位↓同时由T0↑→EAB(T,T0)↓调整Rg电阻→Uba=[E(T,0)-E(T,T0)]→总电势不随T0而变。当T0变化时，由于冷端补偿器的接入，仪表所指示的总电势E仍保持为E(T,0)，相当于热电偶冷端自动处于0℃。32热电偶的冷端补偿导线法补偿在0～100℃范围内，热电特性与所取代的热电偶丝基本一致；电阻率低；价格必须比热电偶丝便宜。33补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层34热电偶测温特点1、构造简单、使用方便、具有较高的准确度、温度测量范围宽；2、常用测温范围：-50~+1600℃；特殊材料，测温范围可扩为：-180~+2800℃；常用于测量+300℃以上的温度；3、应用极为广泛；可用于测温空间微小的场合；4、热电势小；5、需冷端补偿。35热电偶测温回路36热电偶测温回路—反接测量温度差。输入到测量仪表的热电势为两个热电偶的热电势之差。两个热电偶的新冷端温度必须相同两个热电偶的热电势与温度必须是线性关系37热电偶测温回路—并联测量平均温度。当一支热电偶烧断时不易被发现。38热电偶测温回路—串联测量低温或温度变化很小的场合;或者测量温度差。当有热电偶烧断时，总热电势消失，可以立即知道有热电偶烧断。39动圈式温度指示仪40动圈式温度指示仪41手动电位差计42热电偶的校验与分度各种因素导致热电偶与原分度值或标准分度表的偏离越来越大，因此需要定期校验。比较式校验法—比较式校验设备校验注意事项：1、加热时，稳定在各校验点的±10℃，读取数值时炉温不得超过±2℃，读数不得少于4次。2、纯净冰水混合物，保持0℃，绝缘。3、如是铂铑—铂材料，需清理。4、如果检验多只热电偶，注意读数顺序，并需要正反读数。43热电偶的误差分析1、热电偶分度误差△12、补偿导线误差△23、冷端补偿器误差△34、测量仪表误差△444热电阻测温利用导体或半导体的电阻值随温度变化而改变的性质来测量温度（电阻的热效应）。多数金属导体在温度升高1℃时，阻值增加0.4%—0.6%。多数具有负温度系数的半导体在温度升高1℃时，阻值减小3%—6%。工业用热电阻测温范围为-200～+500℃。45热电阻材料要求1、电阻温度系数要大。2、有较大的电阻率。3、在测温范围内，物理化学性质稳定。4、复现性好、复制性强、易得到纯净物质。5、电阻值与温度的关系近似为线性关系，便于测温的分度和读数。6、价格低。铂、铜、铁、镍和一些半导体材料比较适合做热电阻。46铂热电阻特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在0℃以上，其电阻与温度的关系接近于直线。作用：工业测量,温度的基准、标准仪器。缺点：电阻温度系数小，在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆、价格昂贵。常用铂电阻。测温范围：-200～+850℃。47铂电阻阻值随温度变化的规律A=3.90802×10-3(℃-1)；B=-5.802×10-7(℃-2)；C=-4.27350×10-12(℃-4)。分度号Pt100Pt1048铜热电阻优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；缺点：高于100℃时，易被氧化；测温范围：-50～+150℃。常用铜电阻分度号：Cu100和Cu50。A=4.28899×10-3(℃-1)；B=-2.133×10-7(℃-2)；C=1.233×10-9(℃-3)。49热电阻的结构类型—普通玻璃烧结式；陶瓷架式；云母管架式50热电阻的结构类型—铠装热电阻，保护套管，绝缘材料封装成一个整体。51热电阻的结构类型—薄膜真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻。厚膜—7μm，薄膜—2μm。52半导体热电阻半导体热电阻—热敏电阻。材料：常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物混合制成分类：负温度系数NTC正温度系数PTC临界温度系数CTR53半导体热电阻54半导体热敏电阻的外形55半导体热敏电阻的特点测温范围：-100—300℃优点：1、电阻温度系数大，灵敏度高。2、电阻率大，利于小型化，连接导线影响可以忽略；3、结构简单、体积小，可以用于测量点温度；4、热惯性小，适用于表面温度及快速变化温度。缺点：热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。56热电阻测温电桥两线制接法电桥测量金属热电阻(几欧-几十欧范围)时，引线电阻和连接导线电阻随温度变化而变化，这会影响热电阻测温精度。为了消除此影响，发展了三线制、四线制接法热电阻测温桥路。571、接入一个桥臂；2、引线与连接导线的电阻Rl随环境温度的变化全部加入到热电阻的变化之中；3、简单，为了误差不致过大，要求引出线的电阻值随温度的变化，特性为：铜：<=0.2％(R0)；铂:<=0.1％(R0)。581、第三根接到电源线上；2、电源与电桥的连接点a从仪表内部的桥路上移到热电阻附近；3、另外两根引线和连接导线的电阻分别加到电桥相临两桥臂中。效果：引线与连接导线电阻变化影响减小。59热电阻元件的校验1、比较法2、两点法热电阻测温系统的误差分析1、热电偶分度误差△12、自热误差△23、线路电阻变化带来的误差△34、显示仪表误差△460辐射式测温法辐射测温是利用物体辐射能与其温度有关的原理进行测温，测温元件与被测物不直接接触，以辐射方式进行热交换，实现非接触测温。可以测量处于运动状态的对象，没有测量上限的限制，应用范围较广。测温过程：1、有一个热辐射源（被测对象）2、有辐射能传递通道（大气、光导纤维或真空）3、有接收和处理辐射信号的仪表。61辐射是由电磁波传递能量的过程。绝对零度以上时，由于物体内部带电粒子热运动就会向外发射出不同波长的电磁波，把这类电磁波的传播过程称为热辐射。62根据被测目标物面积的大小，离探测器的远近，分为点源和面源。把充满辐射探测器瞬时视场的大面积辐射源称为面源。把没有充满辐射探测器瞬时视场的辐射源称为点源。辐射测量得到的辐射能采用一些辐射物理量给予量度。热辐射源631、辐射能Q：可见光和红外线也是一种能量传播形式，以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量称为辐射能，单位J（焦耳）。2、辐射通量Φ(辐射功率)：单位时间内，通过某一面积的辐射能量，称为经过该面积的辐射通量。单位J/s或W。辐射物理量643、辐射强度I：把辐射源看作称一个点源，则定义点源在某一个指定方向，单位立体角内发射的辐射通量为辐射强度（W/sr）。单色辐射强度Iλ：也称为光谱辐射强度，是指在波长为λ附近单位波长间隔内的辐射强度。（W/sr·μm)辐射物理量654、辐射亮度L：辐射源在单位投影辐射面积、单位立体角范围的辐射功率称为辐射亮度L(W/cm2.sr)。光谱辐射亮度Lλ：辐射源在波长属于λ附近的单位波长间隔的辐射亮度Lλ(W/cm2.sr.μm)辐射物理量665、辐射出射度M：是辐射表面上每单位面积所发出的辐射功率（W/cm2）。

光谱辐射出射度Mλ：在波长λ附近单位波长间隔内的辐射出射度Mλ（W/cm2.μm）。辐射物理量676、吸收率、反射率和透射率

辐射物理量不透明材料：气体：

黑体：在任何温度下都能全部的吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量。687、比辐射率ε（黑度、辐射率）：物体温度在T时，所有波长范围内的辐射出射度M与同温度下黑体的辐射出射度Mb之比。

光谱比辐射率ελ（单色黑度、单色辐射率