第四章过程参数检测技术(温度)

第四章过程参数检测技术(温度)第一页，共36页。4.1.测温方法及温标4.1.1.测温原理及方法 温度——反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。

⒈原理： 选择合适的物体作为温度敏感元件，已知某一物理特性随温度而变化，通过其与被测对象的热交换，测量相关的物理量，既可确定温度。

⒉方法： 接触式测量和非接触式测量。

第二页，共36页。温度检测方法分类膨胀类： 1）玻璃液体温度计，（液体热膨胀） 2）双金属温度计，（热胀差）热电类：热电偶温度计，（热电转换效应）电阻类：

铂热电阻，铜电阻，热敏电阻（电阻变化）光学类：光纤温度传感器，光电高温计， 红外温度计（热辐射）

第三页，共36页。4.1.2.温标为了客观地计量物体的温度，必须建立一个衡量温度的标尺，简称温标。早期建立的华氏和摄氏温标都是根据物体体积的热胀冷缩制定的，成为经验温标。华氏温标与摄氏温标的换算关系是：第四页，共36页。4.1.2.1.国际实用温标世界上实际通用的温标是国际实用温标，由其来统一各国之间的温度计量，这是一种协议温标。始于1927年目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90。热力学温度用符号T表示，单位为开尔文，符号为K。摄氏温度用符号t来表示，单位是摄氏度，符号为。和的关系是：

第五页，共36页。ITS-90国际实用温标有三部分组成，分别是：定义固定点、内插标准仪器和内插公式。固定点是指某些纯物质各相态间可以复现的平衡态温度的给定值。4.1.2.2.温标的传递一般实用工作温度计的检定装置采用各种恒温槽和管式电炉，用标准表和被测表的对比，即比较法进行检定。第六页，共36页。4.2.接触式测温4.2.1.热电偶测温⒈原理：热电效应。闭合回路中产生的热电势分为：温差电势和接触电势两种。闭合回路中产生的总热电势为：第七页，共36页。当T0一定其热电势只与温度成单值函数关系，既

结论：⒈热电偶产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成，回路端点温度不同。⒉热电势大小只与热电极材料及温度有关。⒊热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关。第八页，共36页。4.2.1.2.热电偶的应用定则⑴均质导体定则由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。⑵中间导体定则在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。⑶中间温度定则

第九页，共36页。4.2.1.3.常用工作热电偶实际选择热电极材料的要求如下：⑴在测温范围内热电性能稳定⑵在测温范围内物理化学性质稳定⑶热电特性接近单值线性或近似线性⑷电导率高，电阻温度系数小⑸机械性能好，强度高，性价比高第十页，共36页。4.2.1.3.常用工作热电偶几种常用工业热电偶的主要性能和特点如下：⑴铂铑合金、铂系列的热电偶：B,R,S型；使用温区宽，特性稳定，用与检测较高温度⑵廉价金属热电偶：K,N,E型；性能稳定，产生的热电势大，热电特性好，复现性好，抗氧化，抗辐射，使用范围广⑶低温应用热电偶：T,J型；

第十一页，共36页。4.2.1.4.工业热电偶结构形式工业热电偶有普通型和铠装型两种型式⑴普通型热电偶为装配式结构，由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成。⑵铠装热电偶是将热电偶丝，绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的坚实组合体。第十二页，共36页。4.2.1.5.热电偶参比端温度的处理⑴补偿导线法是一对与热电偶配用的导线，在工作范围内与被补偿的热电偶具有相同的电势-温度关系。补偿导线分延长型和补偿型两种。⑵参比端温度测量计算法

式中E（T，T0）为测出的回路电势，T0为已知温度、⑶参比端恒温法参比端温度测量计算法需要保持参比端温度恒定。在实验室情况及精密测量中，是把参比端置于能保持恒温的冰点槽中，温度为0℃，测得电势后直接查分度表得知被测温度第十三页，共36页。4.2.1.6.热电偶冷端温度的补偿⑷补偿电桥法利用不平衡电桥产生相应的电势，以补偿热电偶由于参比温度变化而引起的漏电事故。如图，补偿电桥串接在热电偶回路中，与其参比端同为温度T0，在选定T0的情况下，使r1=r2=r3=rCu=1Ω，电桥平衡无信号输出当T0变化时，rCu的阻值改变，电桥输出不平衡电压。第十四页，共36页。4.2.2.热电阻测温热电阻测温基于导体或半导体的电阻随温度而变化的特性。4.2.2.1.金属热电阻⑴热电阻材料a.选择电阻随温度变化呈线性关系的材料b.有尽可能大的电阻温度系数c.有较大电阻率d.物理化学性能稳定e.复现性好，复制性强，价格较便宜

第十五页，共36页。（2）常用工业热电阻Pta.铂热电阻：-200℃---850℃适用范围分度号Pt100,0℃时R(0)=100Ω Pt10,0℃时R(0)=10Ω 电阻温度基本关系：(非线性）t>0:R(t)=R0(1+At+Bt2)t<0:R(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3[t-100])其中：A,B,C为常系数；由基本关系式可知，R(t)为t的二次方关系或三次方关系，由于B,C数值较小，在小范围内仍可看作线性关系，高温时非线性表现突出。工业上常用查Pt分度表的方法，获取电阻-温度对应关系，而非采用公式计算的方法。第十六页，共36页。（2）常用工业热电阻Cub.铜热电阻：-40℃——140℃适用范围分度号Cu100,0℃时R(0)=100Ω Cu50,0℃时R(0)=50Ω 电阻温度基本关系：(非线性）R(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3)其中：A,B,C为不同与铂热电阻的常系数。与铂热电阻相似的非线性温度-电阻关系。特点：主要适合低温测量，相对灵敏度更高； 构成桥路时，在同样温度变化范围内输出更高 的电势差； 易氧化，不适合高温测量。第十七页，共36页。⑶热电阻结构

a.普通型热电阻：感温元件+绝缘套管+保护管+接线盒 电阻丝——无感绕制：双线并绕，单端引线。简单结构，低价格，b.铠装热电阻：铠装电缆封装---保护管+绝缘物+内引线外部焊接保护套管连接感温元件特点：体积小，响应快，抗冲击，易安装。铠装部分均可弯曲，适合复杂场合使用。第十八页，共36页。⑷热电阻引线方式11）简单结构：二线制方式特点：安装简单，适合近距离测量。问题：热电阻引线电阻r1,r2处于单侧桥臂中，导线长度，环境温度变化影响测量准确度。r1和r2的阻值随长度变化，也随环进温度变化的影响。平衡时（Rt+r1+r2)>R电桥不平衡，U>0初始状态输出电压不为零，存在零点漂移。第十九页，共36页。⑷热电阻引线方式22）工业测温三线制模式特点：r1和r2引线电阻分别接入对称的两个桥臂，其阻值变化被基本抵销，使桥路输出电压U随导线长度变化和环境温度变化的影响减到最小。

初始平衡时：Rt+r2=R+r1，初始状态输出电压为零，U=0

问题：工作状态下r1和r2的影响是否相同？为什么?设：r1=r2=r3=5,R=Rt(0)=100,求：Rt(100)=139时，U=?若：r1=r2=r3=1,U=?请比较两者差异，说明一个什么道理？第二十页，共36页。⑷热电阻引线方式33）四线制方式Ii为恒流源供电，Io为输出负载电流，为使引线电阻的影响尽可能的小，应有：Io=0要求采用高输入阻抗的测量仪表测取输出电压U,Io接近零，才能实现Ii的恒定性。#适用于高精度的温度测量，#要求高精度的恒流源。第二十一页，共36页。温度测量习题与思考P664-3，4-5，4-7，思考题1： 若工艺要求测量高温蒸汽温度，常用范围450C——550C，允许正负5C的误差，需将温度信号远传到控制室。问： 1）选用何种测温元件为好？ 2）选定测温元件后，如何实现？分别以热电偶，热电阻为例设计此温度检测系统，并作图说明。思考题2： 热电阻测温采用三线制引线方式，设： t=0C时，Rt=R（桥路电阻）=100Ω； T=100C时，Rt=138.5Ω，其他不变，供电E=5V， 问：1）引线电阻r1=r2=r3=5Ω（或0Ω时），桥路输出电势的差异为多大？ 2）说明引线电阻造成的误差在什么情况下最大？引线电阻的大小对误差的影响有多大？思考题3： 热电偶测温为什么要进行冷端补偿？冷端补偿电桥采用的是什么原理？第二十二页，共36页。4.2.2.2.热敏电阻

热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件，它有正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度（CTR）热敏电阻三种。负温度系数热敏电阻与温度的关系：

负温度系数热敏电阻的温度系数为第二十三页，共36页。4.2.2.3.热敏电阻应用特点由于材料关系，热敏电阻通常工作在室温附近的较小温度范围内；温度系数较大，比金属电阻大十几倍，因此灵敏度高；基础温度T（25）以25C为基准，电阻值相对较高，使用方便；结构简单，体积小，响应快，价格低；互换性，产品的一致性，和稳定性不够理想；相对精度要求不很高的场合应用广泛；负温度系数（NTC）的热电阻应用更多一些，但非线性问题突出，需线性化处理。第二十四页，共36页。4.2.3.集成温度传感器工作原理是利用半导体器件的温度特性。NPN三极管的结电压Ube是温度的函数：V3和V4的Ube差值为：电路输出电流：当R、m一定时，输出电流与温度有良好的线性关系第二十五页，共36页。4.2.3.1集成温度传感器特点由于制造工艺关系，可得到高精度的集成温度传感器；因为材料为半导体器件，测温范围相对较小，也在室温附近的温度范围；集成度较高，体积较小，测温灵敏；常用作恒流器件，其电流与温度直接相关，应用电路简单可靠；AD590（电流型）可采用微电流驱动，低功耗状态下工作，适应性更强；DS18B20集成数字温度传感器常用于仪器仪表的温度补偿测温装置；多品种，多规格的产品不断推出市场。第二十六页，共36页。4.3.非接触式测温4.3.1.辐射测温原理4.3.1.1.普朗克定律4.3.1.2.维恩位移定律4.3.1.3.绝对黑体的全辐射定律第二十七页，共36页。4.3.2.辐射测温仪表的基本组成及常用方法辐射测温仪表主要由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等部分组成。辐射测温常用的方法有四种：⑴亮度法，⑵全辐射法，⑶比色法，⑷多色法第二十八页，共36页。4.3.3.辐射测温仪表4.3.3.1.光电高温计它采用亮度平衡法测温，通过测量某一波长下物体辐射亮度的变化测知其温度。4.3.3.2.辐射温度计它依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量来测知物体的温度。4.3.3.3.比色温度计它是利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐射亮度之比实现辐射测温。分单通道和双通道两种。第二十九页，共36页。比色温度计原理单通道比色温度计的原理：由电机带动的调制盘以固定频率旋转，盘上交替镶嵌的两种不同的滤光片是被测对象的辐射变成两束不同波长的辐射，交替地投射到同一检测元件上，再转换成电信号实现比值求得被测温度。第三十页，共36页。4.3.4.辐射测温仪表的表观温度表观温度是指在仪表工作波长范围内，温度T的辐射体的辐射情况与温度为TA的黑体的辐射情况相等，则TA就是该辐射体的表观温度。4.3.4.1.亮度温度4.3.4.2.辐射温度4.3.4.3.比色温度第三十一页，共36页。4.4.光纤温度传感器光纤温度传感器是采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测温仪表，它有接触式和非接触式等多种形式。特点：灵敏度高，绝缘性好，抗干扰性强，体积小等。4.4.1.液晶光纤温度传感器利用液晶的“热色”效应而工作。4.4.2.荧光光纤温度传感器利用荧光材料的荧光强度随温度而变化或荧光强度的衰变速度随温度变化的特性测温。第三十二页，共36页。4.4.3.半导体光纤温度传感器

是利用半导体的光吸收响应随温度而变化的特性，根据透过半导体的光强度变化检测温度。如图所示，温度变化时半导体的透光率