《温度检测上》PPT课件.ppt

第2章温度检测 温标及测温方法膨胀式温度计电阻式温度传感器热电偶传感器辐射式温度传感器光纤传感器薄膜热传感器集成温度传感器 第2章温度检测 温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量 温度单位是国际单位制中七个基本单位之一 本章在简单介绍温标及测温方法的基础上 重点介绍膨胀式温度测量 电阻式温度传感与测试 热电偶温度计 辐射式温度计 光导纤维温度计 集成温度传感技术等测温原理及方法 温度变送器 2 1温标及测温方法 2 1 1温标经验温标 摄氏温标 华氏温标 列氏温标 换算关系为C 5 9 F 32 5 4 R热力学温标 又称为开尔文温标 用符号K表示 换算关系为K 273 15 C国际实用温标 2 1温标及测温方法 2 1 2温度检测的主要方法及分类温度检测方法一般可以分为两大类 即接触测量法和非接触测量法 常用的测温方法 类型及特点如表2 1 1所示 2 2膨胀式温度计 膨胀式温度计分为液体膨胀式温度计和固体膨胀式温度计两大类 2 2 1双金属温度计双金属温度计的特点 抗震性能好 结构简单 牢固可靠 读数方便 但它的精度不高 测量范围也不大 2 2膨胀式温度计 Bimetallicthermometer 2 2膨胀式温度计 Realizationsofbimetallicthermometers 2 2膨胀式温度计 电烤箱和电火锅上的温度调节与控制 2 2膨胀式温度计 2 2 2压力式温度计一 压力式温度计的结构与原理二 充气体的压力温度计 气体状态方程式pV mRT表明 在密封容器内充以气体 就构成充气体的压力温度计 三 充蒸汽的压力温度计 充蒸汽的压力温度计是根据低沸点液体的饱和蒸气压只和气液分界面的温度有关这一原理制成 2 3电阻式温度传感器 2 3 1热电阻传感器测温基础 多数金属的电阻率随温度升高而增大 具有正的温度系数 特点 精度高 适宜于测低温 对金属材料要求 电阻温度系数大 电阻率大 热容量小 在测温范围内有稳定的物理和化学性质 电阻与温度的关系最好近似于线性 或为平滑的曲线 容易加工 复制性好 价格便宜 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的 可将温度的变化转化为电阻的变化 由金属 铂 铜 镍等 材料制成的称为热电阻 由半导体材料制成的称为热敏电阻 一 铂电阻 精度高 稳定性好 性能可靠 主要用作标准电阻温度计 也常用于工业测量 铂电阻的优缺点 0 850 200 0 工业标准 50 100 1000 Pt50 Pt100 Pt1000分度表及其应用 铂电阻分度表 注 手册上温度步长为1 必要时可插值 后同 二 铜电阻 铂是贵金属 价格昂贵 因此在测温范围比较小 50 150 的情况下 可采用铜制成的测温电阻 称铜电阻 铜电阻的优缺点 工业标准 50 100 Cu50 Cu100分度表及其应用 铜电阻分度表 分度号 Cu50 铂电阻传感器实物 铂电阻传感器实物 续 耐磨 防腐热电阻传感器实物 装配式热电阻传感器实物 软导线式热电阻传感器实物 三线制 热电阻的一端引出一根线 另一端引出两根线 见后 三 铁电阻和镍电阻 这两种金属的电阻温度系数较高 电阻率较大 故可做成体积小 灵敏度高的电阻温度计 其缺点是容易氧化 化学稳定性差 不易提纯 复制性差 且电阻值与温度的关系线性差 四种金属电阻温度特性比较 比较线性和灵敏度 电阻的相对变化率 t 测低温和超低温的热电阻 国际制冷学会 T 120K为冷冻温区 120K T 0 3K为低温区 T 0 3K为超低温区 常压下 液氦沸点4 2K 液氮沸点77 3K H K Onnes 1911 Hg 略低于4 2K 电阻突然消失 后来发现很多其他材料也有类似现象 一些材料在某一低温下电阻消失的现象称为超导 superconducting 现象 相应的温度称为该超导材料的临界温度Tc 超导材料有重要而广泛的用途 研究热点 Tc 30K 液氦条件下工作 昂贵 复杂 称为低温超导材料 重点研究高温超导材料 1986年到液氮温区 测低温和超低温的热电阻 超导材料进展 2004年12月 中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75m 10 5KV 1500A交流高温超导电缆 并接入到甘肃长通电缆公司6KV配电网中向车间供电运行 测低温和超低温的热电阻 铂电阻和铜电阻不适合测低温和超低温 铟电阻 300 4 2K 4 2 15K灵敏度比铂电阻高10倍 材料软 复制性差 锰电阻 63 2K 灵敏度高 材料脆 难拉丝 碳电阻 液氦温区 廉价 对磁场不敏感 热稳定性差 2 3电阻式温度传感器 四 热电阻传感器的测量电路1 三线制 为何采用三线制 条件 优点 2 3电阻式温度传感器 1 三线制 条件 优点 2 3电阻式温度传感器 2 四线制 为何采用四线制 条件 优点 2 3 2热敏电阻传感器 热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件 其特点是电阻随温度变化而显著变化 能直接将温度的变化转换为能量的变化 制造热敏电阻的材料很多 如锰 铜 镍 钴和钛等氧化物 它们按一定比例混合后压制成型 然后在高温下焙烧而成 热敏电阻具有灵敏度高 体积小 较稳定 制作简单 寿命长 易于维护 动态特性好等优点 因此得到较为广泛的应用 尤其是应用于远距离测量和控制中 一 热敏电阻的分类 正温度系数 PTC positivetemperaturecoefficient 用于彩电消磁 电器热保护 发热源的恒温控制 限流等 负温度系数 NTC negativetemperaturecoefficient 用于测温 温度补偿等 一般不能并联使用 临界温度系数 CTR criticaltemperaturerisistor 在某一特定温度下电阻值发生突变 用作温度开关 三类热敏电阻的特性 PTC NTC系列热敏电阻实物 恒温加热 彩电消磁 电机延时启动 超大功率型 NTC 二 热敏电阻的主要参数三 热敏电阻的特点优点 灵敏度高 温度系数较热电阻的大得多 体积小 热贯性小 结构简单 化学稳定性好 机械性能强 价格低廉 寿命长 缺点 复现性和互换性差 非线性严重 测温范围较窄 目前只能达到 50 300 四 热敏电阻特性线性化串联补偿电阻并联补偿电阻它线性化电路 五 热敏电阻的应用1 温度测量 点温计 体温表 2 温度补偿3 温度控制 举例 4 过热保护 点温计 利用热敏电阻对温度变化的高度敏感性能 可以制成测量点温 反应迅速的点温计 点温计不仅可以用来测量一般的气体 液体或固体的温度 而且还适宜于测量微小物体或物体局部的温度 例如 测量运行中电机轴承的温度 晶体管外管的温升 植物叶片温度 人体内血液的温度等 S1 S2均为同轴联动开关 S1选择 断开 校准 测量 S2选择 量程 R5 R6 RW作用 体温表 动画 温控电路 Rt 220V 被控温度可调 大功率加热用晶闸管 可控硅 或三相加热 在实践中 若精度要求不高 为降低成本 减小体积及减轻重量 常采用简易直流电源 简易直流电源的具体形式可根据需要而定 2 4热电偶传感器 热电偶作为敏感元件的主要优点 结构简单 其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的 有较高的准确度 测量范围宽 常用的热电偶可测 50 1600 用特殊材料的热电极 可测 180 2800 有良好的敏感度 使用方便 热电效应热电偶基本定律热电偶材料及常用热电偶热电偶冷端温度补偿热电偶测温电路 2 4 1热电效应 如图 由两段不同的匀质导体A B组合 能将温度信号转换成电势 或电流 信号的温度传感器称为热电偶 热电偶测温原理是热电效应 热电效应也称为塞贝克效应 热电势也称为温差电势或塞贝克电势 回路中产生的电流称为热电流 导体A B称为热电极 测温时 结点1置于测温点 称为测量端 工作端 热端 结点2通常保持某一恒定温度 称为参考端 自由端 冷端 两种导体的接触电势 测量端结点的接触电势为式中k 波尔兹曼常数 1 380 10 23J K 1T 接触处的绝对温度e 电子电荷数 1 602 10 19CNA NB 热电极A B的自由电子密度 参考端结点的接触电势为热电偶中的接触电势为二者的代数和 即 单一导体的温差电势 热电极A的温差电势为式中 A 热电极A的汤姆逊系数 同理 可得热电极B的温差电势 热电偶中的温差电势为二者的代数和 即 热电偶的热电势为接触电势与温差电势之和 后者相对较小 即 若两热电极材料相同 即使两结点温度不同 T T0 热电势也为零 所以 两个热电极必须选用不同材料 若两结点温度相同 则热电势也为零 热电势的大小只与热电极材料性质和结点温度有关 与热电极的尺寸 形状及沿热电极温度分布无关 注意 若热电极不是匀质的 则沿热电极的温度梯度会引起附加电势 给定热电偶 测温原理 2 4 2热电偶的基本定律 中间导体定律标准电极定律连接导体定律中间温度定律 中间导体定律 在热电偶回路中 只要中间导体两端的温度相同 那么接入中间导体后 对热电偶回路的热电势无影响 即EABC T T0 EAB T T0 可接入仪表 降低焊接要求 标准电极定律 如果将导体C 热电极 一般为纯铂丝 作为标准电极 也称参考电极 并已知标准电极与任意导体配对时的热电势 则在相同结点温度 T T0 下 任意两导体A B组成的热电偶 其热电势可由下式求得 EAB T T0 EAC T T0 EBC T T0 可简化热电偶的选配 连接导体定律 在热电偶回路中 如果热电极A B分别与连接导线A B 相连接 结点温度分别为T Tn T0 那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB T Tn 与连接导线A B 在温度Tn T0时热电势EA B T Tn 的代数和 即EABB A T Tn T0 EAB T Tn EA B Tn T0 中间温度定律 热