机械工程测试技术（第2版）课件：温度的测量

温度的测量机械工程测试技术（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology学习导航13.1温度标准与测量方法

(TemperatureStandardandMeasurementMethod)13.2接触式测温传感器

(Contact-typetemperaturemeasuringsensor)

13.3

非接触式测温

(Non-contacttemperaturemeasurement)13.4温度测量实例

(Temperaturemeasurementinstances)知识导图13.1温度标准与测量方法

13.1.1温度和温标温度是表征物体冷热程度的物理量。温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。温标是温度的数值表示方法，是用来衡定物体温度的尺度。它规定了温度读数的起点(零点)和测量温度的单位，各种温度计的刻度值均由温标确定。13.1温度标准与测量方法1摄氏温标(℃)

物理基础：水银温度变化与体膨胀成线性关系。分度方法：标准大气压下水的冰点为零度(0℃)，沸点为100度(100℃)，用这两个固定点分度玻璃水银温度计，100等分，每等分为1℃。2华氏温标(°F)标准大气压下冰点为32°F，沸点为212°F，中间划分为180等分，每一等分称为1°F。13.1温度标准与测量方法3热力学温标（开氏温标

(K)、国际温标）(K))热力学温标是一种与工作介质无关的温标，它以热力学第二定律为基础，已由国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。国际温标采用热力学温度，符号为T，单位为开尔文(K)，它是国际单位制(SI)的基本单位，定义为水的三相点热力学温度的1/273.16。当前广泛使用的国际温标是国际计量委员会(CIPM)批准的国际温标(ITS-90)。摄氏温度t由热力学温度T导出：13.1温度标准与测量方法13.1.2温度的测量方法接触测量法。热平衡被破坏，不适于小物体的温度测量。非接触测量法。利用热辐射或电磁原理，不破坏平衡状态，动态响应好，精度较低。类型接触式非接触式必要条件感温元件必须与被测物体相接触，被测物体的温度不变感温元件能接收到物体的辐射能特点不适宜热容量小的物体温度测量不适宜动态温度测量便于多点，集中测量和自动控制被测物体温度不变适宜动态温度测量适宜表面温度测量测量范围适宜1000℃以下的温度测量适宜高温测量测温精度测量范围的1%左右一般在10℃左右滞后较大较小接触式与非接触式测温方法比较13.1温度标准与测量方法13.2接触式测温传感器

13.2.1热电偶

热电偶的工作原理应用广泛，工作原理基于物体的热电效应。13.2接触式测温传感器1热电效应两种导体组成闭合回路，若两接点的温度不等（T＞T0），回路中就会产生电势，称为温差电效应，即热电效应。相应的电势称为温差电势，即热电势。测量时，工作端即热端（T

）置于测量环境，自由端即冷端（T0

）温度应保持恒定。产生的热电势EAB(T,T0)由两种导体的接触电势eAB和单一导体的温差电势EA和EB组成。图热电效应13.2接触式测温传感器(1)接触电势两种不同材料的导体A、B的连接点分别发生电子扩散，其速率与自由电子的密度和导体的温度成正比。若导体A的自由电子密度大于B的自由电子密度，A的电子就会扩散到B，因此A带正电，B带负电，形成接触电势。接触电势阻碍电子的进一步扩散，平衡时，一般为10-2～10-3V。接触电势与导体的性质和接触点的温差有关。当T=T0时，尽管两接触点都存在接触电势,但回路中总接触电势等于零。

图接触电势a)电子扩散示意图b)等价电路13.2接触式测温传感器电子电荷量

电子密度1.6021892×10–19C波尔兹曼常数1.38066×10–23J/K回路中总的接触电势是两个结点的电势之差，即：13.2接触式测温传感器2单一导体的温差电势汤姆逊系数，温差1℃产生的温差电势。在均匀的导体材料中，如果两端的温度不等，将产生温差电势。高温端电子的能量大于低温端的，向低温端扩散。高温端失去电子而带正电，当电子运动达到动平衡,温差电势达到一个相对稳态值。

温差电势比接触电势小得多，一般为10-5V。导体A、B所组成回路的总温差电势是两个导体温差电势之差，即:单一导体温差电势a)电子扩散示意图b)等价电路13.2接触式测温传感器热电偶的总电动势：因此，总电势为两个接点电势之差。热电偶电动势的组成13.2接触式测温传感器当热电偶的两个电极材料不同，且两个结点的温度不同时，才会产生电势，它是两个接点温度的函数：EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)当自由端温度为常数，即f(T0)=C

，有EAB(T,T0)=f(T)－C=Φ(T)依此建立标准的热电偶分度表。该表是将自由端温度保持为0℃，通过实验建立起来的热电势与温度之间的数值关系。13.2接触式测温传感器2热电偶的基本定律

(1)中间温度定律EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)＋EAB(Tn,T0)当在冷端温度为某恒定值时，可以利用热电偶分度表确定工作端的温度值。例

用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，当冷端温度为30℃，测得热电势E(T,30)=39.17mV，求实际炉温。由分度表，E(30,0)=1.2mV，于是，有：E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=39.17+1.2=40.37(mV)由分度表得炉温T=946℃。13.2接触式测温传感器(2)中间导体定律在热电偶回路中，通常要介入导线和仪表。只要接入的第三导体两端温度相同，对回路的总热电势就没有影响，如图，有：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)－EAB(T,T0)=EAB(T,T0)热电偶接入中间导体的回路a)中间导体定律第三导体接入方法一b)中间导体定律第三导体接入方法二13.2接触式测温传感器(3)标准电极定律若电极A，B与电极C组成的热电偶的电势分别为EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，在相同结点温度下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)=EAC(T)－EBC(T0)把电极C作为标准电极，通常选用纯铂丝。因为它的物理化学性能稳定，熔点高，易提钝。例铂铑30-铂热电偶的E(1084.5,0)=13.976mV,铂铑6-铂的E(1084.5,0)=8.354mV。于是，对于铂铑30-铂铑6，有:E(1084.5,0)=13.976－8.354=5.613mV13.2接触式测温传感器3标准化热电偶标准化热电偶批量生产，性能优良、稳定，同一型号具有互换性，具有统一的分度。铂铑10

-铂

性能稳定，准确度高，可用于基准热电偶。热电势较低，价格贵，不能用于金属蒸气和还原性气体中。铂铑30-铂铑6稳定性和机械强度高于铂铑10-铂，测量温度可达1800℃，室温下的热电势较低。可作标准热电偶，一般不需要补偿和修正。由于热电势较低，需要高灵敏度和高精度仪表。13.2接触式测温传感器

镍铬-镍硅或镍铬-镍铝

热电势较高，热电特性的线性较好，化学稳定性良好，抗氧化性和抗腐蚀性较强。稳定性稍差，测量精度不高。镍铬-考铜(Ni43.5,Cu56.5)

热电势较高，电阻率小，适于还原性和中性气氛下测量，价格便宜，测量上限较低。镍铬-康铜(Ni45,Cu55)

热电势较高，价格低。高温下易氧化，适于低温和超低温测量。13.2接触式测温传感器4热电偶冷端的温度补偿热电偶冷端温度不变时，输出才是温度的单值函数。（1）参考端温度恒定法参考端形成用途冰点式参考端常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混混物用于校正标准热电偶等高精度温度测量电子式参考端利用半导体制冷的原理，冷却密封的水槽，从而把参考端温度保持在0℃。体积小，操作简单恒温槽式参考端利用温度调节器将参考端温度保持恒定。如果它的温度不是0℃，要用其它温度计测出其温度并进行修正用于热电温度计的温度测量室温式参考端无参考端温度恒定装置，或将参考端置于油中，利用油的惰性使参考端温度保持一致及接近室温用于精度不太高的温度测量参考端的形式和用途13.2接触式测温传感器冰点式参考端工作示意图13.2接触式测温传感器（2）冷端补偿法采用两种导线组成的补偿导线将热电偶冷端引至温度稳定之处。不同的热电偶要配接不同的补偿导线。热电偶补偿导线的应用13.2接触式测温传感器(3)电桥补偿法热电偶冷端与电桥置于同一环境中，电阻RH是由温度系数较大的镍丝制成，而其余电阻则由温度系数很小的锰丝制成。补偿电桥法13.2接触式测温传感器13.2.2热电阻温度计

1常用的热电阻温度计

(1)铂热电阻物理、化学性能非常稳定，温度范围可达1200℃，目前广泛应用。热电阻的电阻比是表征性能重要指标，通常用W(100)表示：W(100)的值越高，铂丝的纯度越高。100℃时的电阻值0℃时的电阻值把温度的变化转换成电阻值变化。工业上被广泛地用于低温及中温（-200～500℃）范围内的温度测量。13.2接触式测温传感器当t=－200～0℃时，在0℃以上，铂丝的电阻值与温度之间具有较好的线性。当t=0～650.755℃时，13.2接触式测温传感器(2)铜热电阻

价格便宜，易于提纯，复制性较好;

电阻温度系数为(4.25～4.28)×10-3/℃，灵敏度较高;

线性较好，阻值与温度的关系为缺点是电阻率较低，易氧化，测温范围小（－50～150℃）。13.2接触式测温传感器13.2.3热敏电阻和集成温度传感器

正温度系数(PTC):温度超过某值时，电阻值朝正方向变化。用于电气设备的过热保护，定温控制等。负温度系数(NTC):用于自动控制及电子线路的热补偿。临界温度系数(CTC):电阻在某个温度值急剧变化。用于温度开关。与金属热电阻相比，灵敏度高、体积小、热惯性小、响应快；线性、互换性和稳定性较差。适用于－100～300℃。1热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。（1）热敏电阻分类13.2接触式测温传感器(2)NTC热敏电阻的温度特性参考温度，KT0时的电阻材料常数热敏电阻的温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度较高。热敏电阻的温度特性13.2接触式测温传感器2集成温度传感器

集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上的传感器，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-50℃～+150℃之间测量。与传统的热敏电阻、热电阻、双金属片等其他温度传感器相比，具有测温精度高、复现性好、线性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大、成本低、使用方便等优点，因此广泛应用于温度检测、控制和许多温度补偿电路中。13.2接触式测温传感器集成温度传感器采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。其中BG1和BG2是结构和性能完全相同的晶体管，都处于正向工作状态。集成温度传感器的电路图k—系数，q为电荷数；Ies1、Ies2—BG1和BG2管的发射极反向饱和电流；I1和I2—集电极电流。13.2接触式测温传感器（1）电流型集成温度传感器

电路是在差分对管电路的基础上，用两只PNP管分别与BG1和BG2串联组成所谓的电流镜，两只PNP管BG3、BG4具有完全相同的结构和性能，且发射极偏压相同，BG3与BG4组成恒流源，且两者集电极电流相同。电流型集成温度传感器电路13.2接触式测温传感器美国AD公司生产的AD590、我国生产的SD590都是典型的电流型集成温度传感器。AD590的电流-温度特性曲线如图所示。AD590的电流-温度特性曲线13.2接触式测温传感器2．电压型集成温度传感器

电压型集成温度传感器是指输出电压与温度成正比的温度传感器。BG3、BG4、BG5是结构和性能完全相同的PNP晶体管，发射极偏压又相同，BG3与BG4组成恒流源，且两者集电极电流相同（称为电流镜），与电流型集成温度传感器相同。电压型集成温度传感器的电路图温度系数为：13.2接触式测温传感器13.2.4机械温度传感器

双金属温度计属于机械温度传感器，由两种线膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的，一种固体膨胀式温度计。结构简单、牢固，又可将温度变化转换成机械量变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置(尤其是开关的“通-断”控制)，其使用范围相当广泛。双金属温度计的工作原理双金属温度计13.2接触式测温传感器13.3非接触式测温

13.3.1热辐射原理

热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。任何受热物体都有一部分热能转化为辐射能，并以电磁波的形式向外辐射。不同的物体是由不同的原子组成的，因此能发出不同波长的波，其辐射波长的范围可以从γ射线一直到无线电波，其中能被其它物体吸收并重新转化为热能的波长范围有0．4～0．77μm的可见光和0．77～40μm的红外线，这部分射线称为热射线，所传递过程称为热辐射。物体所发射辐射能的多少与物体温度有一定的关系，所以热辐射现象可以用来测温。13.3非接触式测温辐射式测温计的类型及性能辐射式测温计类型测温原理敏感元件工作波长/μm响应时间/s测温范围/ºC精确度/%光学高温计测量单色辐射亮度人眼0.6～0.7（0.66）取决于操作者800～3200±(0.5～1.5)光电高温计光电倍增管0.3～1.20.4～1.10.6～3.0<3（<1）400～2000±(0.5～1.5)比色高温计测量两个单色辐射的亮度比值光电池0.4～1.1<3400～2000±(1～1.5)全辐射高温计测量全辐射能量热电堆0.4～14（0～∞）0.5～4600～2500±(1.5～2)部分辐射（红外）高温计测量部分辐射能量光电池热敏电阻热释电元件硫化铅光敏电阻0.41.10.2～404～2000.6～3.0<1-50～3000±113.3非接触式测温13.3.2红外测温

光栅盘由两片扇形光栅板组成，一块固定，一块可动。可动板受光栅调制电路控制，按一定频率正、反向转动，实现开(透光)、关(不透光)，使入射线变为一定频率的能量。可测范围0～600℃，时间常数为4～10ms。红外测温仪的工作原理13.3非接触式测温13.3.2红外测温

1．红外测温仪（点温仪）

图红外测温仪的工作原理13.3非接触式测温按测温范围可分为：高温测温仪(700℃～3200℃)

中温测温仪（100℃～700℃)

低温测温仪（100℃以下〉。按成像特性可分为：望远型（测量远距离目标的温度）一般型（测量1〜5m处目标的温度）显微型（用于测量微小物体的温度）。红外测温仪的一些主要技术参数有：测温范围、工作波段、测温精确度、最小可分辨温差、读数重复一致性、响应时间、焦点处目标尺寸、距离系数﹑实际工作距离﹑辐射率调整范围等。13.3非接触式测温2．红外热像仪

基于物体的热辐射，把被测温度的空间分布显示为等温曲线的图像，即热像。红外热像仪的工作原理13.3非接触式测温热像仪的主要参数1）工作波段：工作波段是指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域，一般是3～5μm或8～12μm。2）探测器类型：探测器类型是指使用的一种红外器件。是采用单元或多元（元数8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光电导或光伏红外探测器，其采用的元素有硫化铅（PbS）、硒化铅（PnSe）、碲化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅（PbSnTe）、锗掺杂（Ge：X）和硅掺杂（Si：X）等。3）扫描制式：一般为我国标准电视制式、PAL制式。4）显示方式：指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示。5）温度测定范围：指测定温度的最低限与最高限的温度值的范围。6）测温准确度。7）最大工作时间：红外热像仪允许连续的工作时间。13.3非接触式测温13.3.3全辐射温度计

被测对象的辐射由光学系统聚焦到多对串联热电偶组成的热电堆。热电堆的电势与被测对象温度的4次方成正比。全辐射高温计的工作原理13.3非接触式测温13.3.4光学高温计

光学高温计利用受热物体的单色辐射强度随温度升高而增加的原理制成，由于它采用单一波长进行亮度比较，也称单色辐射温度计。物体在高温下会发光，也就是具有一定的亮度。物体的亮度B与其辐射强度E成正比。受热物体的亮度反映物体的温度。通常，先得到被测物体的亮度温度，然后转化为物体的真实温度。隐丝式光学高温计结构简图a)原理图b)标准温度灯13.3非接触式测温在被测对象的背景上有一根灯丝，如看到的是暗的背景上亮的灯丝说明灯丝亮度高于被测物体，应调整灯丝电流使其亮度降低，如背景亮而灯丝发黑，则灯丝亮度比对象低，应调整增高灯丝亮度，直到灯丝隐灭而看不清（即灯丝顶部与对象分不清），则说明二者亮度相等，即可读取测量结果了。图灯丝与物像亮度比较a)灯丝亮度偏低b)灯丝亮度偏高c)灯丝与物像亮度一致a)b)c)13.3非接触式测温13.3.5比色高温计

比色高温计(colorcomparatorpyrometer)又称比率高温计或双色高温计，是测量物体色温度的高温计。当非黑体的两个确定波长λ1和λ2的光谱辐射度之比L(λ1)/L(λ2)等于某一温度下黑体的同样两个波长的光谱辐射度之比时，则黑体的温度就称为此非黑体的色温度。双色比色高温计原理图13.3非接触式测温比色高温计的测量范围为800～2000℃，测量精度可接近量程上限的±0.5％。比色高温计的优点是测量的色温度值很接近真实温度。在有烟雾、灰尘或水蒸气等环境中使用时，由于这些媒质对λ1及λ2的光波吸