自动检测技术及仪表控制系统4-温度检测

4温度检测自动检测技术及仪表控制系统第二版化学工业出版社Contents4.1测温方法及温标4.2接触式测温4.3非接触式测温4.4光纤温度传感器4.5测温实例4.1.1测温原理及方法测温原理测温方式接触式：传热和对流，热接触，破坏被测对象热平衡，置入误差，对测温元件要求高非接触式：热辐射，响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动对象，强电磁干扰、强腐蚀4.1.1测温原理及方法测温方式类别原理典型仪表测温范围/℃接触式测温膨胀类利用液体、气体的热膨胀及物质的蒸气压变化玻璃液体温度计-100～600压力式温度计-100～500利用两种金属的热膨胀差双金属温度计-80～600热电类利用热电效应热电偶-200～1800电阻类固体材料的电阻随温度变化铂热电阻-260～850铜热电阻-50～150热敏电阻-50～300其他电学类半导体器件的温度效应集成温度传感器-50～150晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计-50～120光纤类利用光纤的温度特性或作为传光介质光纤温度传感器-50～400非接触式测温光纤辐射温度计200～4000辐射类利用普朗克定律光电高温计800～3200辐射传感器400～2000比色温度计500～3200温度检测方法的分类4.1.2温标温标：衡量温度的标尺，规定温度起点及基本单位经验温标：华氏温标：冰点32°F，水沸点212°F摄氏温标：冰点0℃，水沸点100℃换算关系：4.1.2温标国际实用温标热力学温度：符号，单位开尔文，K摄氏温度：符号

，单位摄氏度，℃ITS-90国际温标规定了17个定义固定点三相点：三相共存熔点或凝固点：固液共存沸点：气液共存4.2.1热电偶测温4.2.1.1测温原理基于热电效应闭合回路中的总热电势：一定时，，4.2.1热电偶测温T端：测量端或热端

端：参比端或冷端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，两端

接点处的温度不同热电势大小只与热电极材料及两端

温度有关，与热偶丝的粗细长短无关热电极材料确定以后，热电势大小

只与温度有关热电效应原理4.2.1热电偶测温4.2.1.2热电偶的应用定则1）均质导体定则：同种均质导体构成的闭合回路不能产生热电势2）中间导体定则：热电偶回路中介入中间导体后，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3）中间温度定则：4.2.1热电偶测温4.2.1.3常用工业热电偶1）铂铑合金、铂系列热电偶2）廉价金属热电偶3）难融合金热电偶4.2.1热电偶测温4.2.1.4工业热电偶结构型式1）普通型热容量大，热惯性大，对温度变化的响应慢1—热电偶接点；2—瓷绝缘套管；3—不锈钢套管；4—安装固定件；5—引线口；6—接线盒4.2.1热电偶测温4.2.1.4工业热电偶结构型式2）铠装型热容量小，热惯性小，对温度变化的响应快，挠性好，可弯曲，可安装在狭窄或结构复杂的测量场合铠装热电偶工作端的结构4.2.1热电偶测温4.2.1.5热电偶参比端温度的处理参比端温度不恒定会引入误差1）补偿导线法补偿导线法的测量回路1—测温接点；2—补偿导线；3—冷端；4—铜导线；5—测温仪表4.2.1热电偶测温2）参比端温度测量计算法：

测量参比端温度，对原公式进行修正3）参比端恒温法：

保持参比端温度恒定为已知温度4.2.1热电偶测温4）补偿电桥法：利用不平衡电桥产生相应电势，补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。补偿电桥4.2.2热电阻测温基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性4.2.2.1金属热电阻电阻温度系数热电阻材料：电阻温度系数和电阻率较大（铂，铜等）铂热电阻：

时，

时，电阻和温度的关系呈平滑特性，可建立分度表方便计算。4.2.2热电阻测温3）热电阻结构：(a)普通型；(b)铠装型热电阻结构(a)普通型(b)铠装型1—电阻体；2—瓷绝缘套管；3—不锈钢套管；4—安装固定件；5—引线口；6—接线盒；7—芯柱；8—电阻丝；9—保护膜；10—引线端4.2.2热电阻测温4）热电阻引线方式：二线制，三线制，四线制精度递增热电阻的测量4.2.2热电阻测温4.2.2.2热敏电阻用金属氧化物或半导体材料作

为电阻体的温敏元件温度检测主要用负温度系数优点：电阻温度系数是金属

电阻的十几倍，灵敏度高；

引线电阻对测温没有影响；

体积小，响应快，结构简单，寿命长各种热敏电阻特性4.2.3集成温度传感器晶体管基极——射极正向压降随温度升高而减少

V1、V2：镜像管

V3、V4：温度检测用晶体管，

二者发射极面积比为m

R、m一定时，输出电流与

温度有良好的线性关系

集成温度传感器原理图4.3.1辐射测温原理4.3.1.1普朗克定律：绝对黑体的单色辐射强度与波长及温度的关系4.3.1.2维恩位移定律：单色辐射强度的峰值波长与温度的关系4.3.1.3绝对黑体的全辐射定律4.3.2辐射测温仪表的基本组成及常用方法各种辐射测温系统一般只接收一定波长范围内的辐射能辐射测温常用方法：亮度法，全辐射法，比色法，多色法辐射测温仪表主要组成框图4.3.3辐射测温仪表4.3.3.1光电高温计：通过测量某一波长下物体辐射亮度的变化测知其温度光电高温计的工作原理1—物镜；2—孔径；3，5—孔；4—光电器件；6—遮光板；7—调制片；8—永久磁铁；9—激磁绕组；10—透镜；11—反射镜；12—观察孔；13—前置放大器；14—主放大器；15—反馈灯；16—电位差计；17—被测物体4.3.3辐射测温仪表4.3.3.2辐射温度计依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量来测知物体的温度透镜式和反射镜式的示意1—光阑；2—检测元件；3—输出端子；4—外壳；5—反射聚光镜；6—透镜4.3.3辐射测温仪表4.3.3.3比色温度计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单通道、双通道、色敏型维恩位移定律单通道型比色温度计原理1—物镜；2—调制盘；3—检测元件；4—放大器；5—计算电路；6—显示仪表；7—马达；8—滤光片4.3.4辐射测温仪表的表观温度辐射仪表的表观温度是指在仪表工作波长范围内，温度为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亮度温度辐射温度比色温度敏感元件（或能量传输介质）：光纤型式：接触式和非接触式，功能型和非功能型特点：电绝缘性能好，可弯曲，可实现不带电的全光探头构成：光源激励、光源、光纤（含敏感元件）、光检测器、光电转换及处理系统、连接件4.4.1液晶光纤温度传感器原理：液晶的“热色”效应4.4.2荧光光纤温度传感器原理：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而变化4.4.3半导体光纤温度传感器原理：半导体的光吸收响应随温度而变化，根据透过半导体的光强变化检测温度半导体材料透光率与温度的特性4.4.3半导体光纤温度传感器半导体光纤温度传感器的装置简图及探头结构1—光源；2—光纤；3—探头；4—光探测器；5—不锈钢套；6—半导体吸收元件4.4.4光纤辐射温度计原理和分类与普通的辐射测温仪表类似短波，亮度法或比色法光纤辐射温度计1—光纤头；2—耦合器；3—光纤；4—信号处理单元光纤敏感探头的多种形式(a)直型(b)楔型(c)带透镜型(d)黑体型4.5.1管道内流体温度的测量接触式测温测点位置；插入深度；减少高温管道测点的热损失几种常见测温元件安装方式4