《温度检测技术》PPT课件

检测技术与控制工程基础,第五章温度检测技术材料成型及控制工程专业（必修）,温度检测技术,温度和测温方法分类接触式测温方法非接触式测温方法,5.1温度和测温方法分类,前言温度与标定测温方法分类及其特点,前言,温度是反映物体冷热状态的参数。从热平衡的观点来看，温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，温度高的物体，其内部分子平均动能大；温度低的物体，其内部分子的平均动能小。两个物体处于同一热平衡状态就具有一个共同的物理性质，表征这一性质的量就是温度，即两物体温度相等。如果两物体温度不同，它们之间不会平衡，会有热交换，热量由高温物体传输到低温物体。,前言,热平衡是温度测量的基本出发点，只有通过测定某一物质的某方面物理特性（诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等）随温度而变化的情况，才能判断温度的变化，这种物质称为测温物质。用来判断温度变化的物理特性，应当与温度成连续的单值线性函数关系，基本上能满足要求的物质种类较多，但常用的只有几种。,温度与标定,温标的基本概念为了保证温度量值的准确和便于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标用来衡量物体温度的标尺。建立一个温标包括2个方面：采用什么测量物质，利用哪一物理特性；如何分度。,温度与标定,温标有下面几种：经验温标热力学温标绝对气体温标国际实用温标和国际温标,1)经验温标,借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标，称为经验温标，有华氏、摄氏、兰氏、列氏温标等。（1）华氏温标1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。它规定水的沸腾温度为212度，氯化铵和冰的混合物为0度，这两个固定点中间等分为212份，每一份为1度，记为。按照华氏温标，则水的冰点为32。,1)经验温标,（2）摄氏温标1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。将两个固定点之间的距离等分为100份，每一份为1度，记为。摄氏温度和华氏温度的关系为T=t+32式中T华氏温度值;t摄氏温度值。,1)经验温标,经验温标的缺点在于其局限性和随意性。例如，若选用水银温度计作为温标规定的温度计，那么别的物质（例如酒精）就不能用了，而且使用温度范围也不能超过上下限（如0，100），超过了就不能标定温度了。,2)热力学温标,热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnotcycle)为基础。热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为27316份，每份为1K(Kelvin)。,3)绝对气体温标,从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律：PV=RT当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样就有：T2/T1=P2/P1,4)国际实用温标,第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的温标,称为“1927年国际温标”，记为ITS-27。此后大约每隔20年进行一次重大修改，相继有ITS-48、IPTS-68和EPT-76、ITS-90。国际温标做重大修改的原因，主要是由于温标“三要素”发生变化。ITS-90是1989年7月第77届国际计量委员会批准的、国际温度咨询委员会制定的新温标。从1994年1月1日起全面实行新温标。指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便。,4)国际实用温标,ITS一90基本内容为：1）重申国际实用温标单位仍为K；2）ITS-90的热力学温度仍记作T，为了区别于以前的温标，用T90代表新温标的热力学温度，其单位仍是K。与此并用的摄氏温度记为t90，单位是。T90与t90的关系仍是,4)国际实用温标,3）把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下：0.655.0K，用3He和4He蒸汽温度计；3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计；13.803K961.78，用铂电阻温度计；961.78以上，用光学或光电高温计；4）新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。,各温标间的换算关系,温度计的标定,对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；标定后的温度计可作为标准温度计来测温度。,温度计的标定,标准表法：把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。,测温方法分类及其特点,按照测温原理和所用的感温元件的不同，测温方法可以分为膨胀式、压力式、电阻式、热电式和辐射式5大类。膨胀式温度计有玻璃温度计和双金属温度计。玻璃温度计利用玻璃感温包内的测温物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）热胀冷缩的原理来测量的。温度值用刻度显示，测量范围为200600。双金属温度计是采用膨胀系数不同的两种金属片牢固地黏合在一起作为感温元件，温度变化时，通过双金属片的弯曲变形带动指针来指示相应的温度，其温度测量范围一般为80600。,测温方法分类及其特点,压力温度计由温包、毛细管和弹簧管组成的一个密闭系统，里面充满感温物质。温包放入被测介质中，当温度发生变化时，封闭系统中的压力会随之变化，通过弹簧管的变形带动指针指示相应的温度。测温范围为80500。电阻式温度计是利用金属或半导体的电阻随温度的变化情况来测量温度值，其输出信号是电阻值，测温范围一般在200600。,测温方法分类及其特点,热电式温度计是利用金属导体的热效应，将温度转换为热电势输出。热电势的大小反映被测温度的高低，其测量范围可达2711800。辐射式测温方法是通过被测物体的热辐射强度来确定其温度的。辐射式测温方法的测温范围宽，响应速度块，特别适合于高温测量。近年来，一些新技术也用到了测温领域，如光纤温度传感器等。,测温方法分类及其特点,根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。1）接触式测温方法测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。,测温方法分类及其特点,2）非接触式测温方法感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度;非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。,接触式与非接触式测温特点比较,各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围,5.2接触式测温方法,热膨胀式测温方法热阻式测温方法热电式测温方法,5.2.1热膨胀式测温方法,膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。本节简单介绍3种热膨胀式测温方法：玻璃温度计、压力温度计和双金属温度计。,玻璃温度计,玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9、测温上限为538。玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。,玻璃温度计,玻璃温度计的分类：全浸式：测温准确度高，但读刻度困难，使用操作不便。局浸式：读数容易，但测量误差较大，即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。,V形工业玻璃温度计,压力温度计,压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。压力温度计的典型结构示意图如右图。,压力温度计,这类压力温度计其毛细管细而长(规格为160m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。,电接点压力式温度计,双金属温度计,固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。,双金属温度计,下图是双金属温度计原理图：,双金属温度计,双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80600，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。,5.2.2热阻式测温方法,几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化-热电阻效应。根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻。,金属热电阻式温度传感器,纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件。作为测温用的热电阻应具有下列要求：电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；电阻率高，元件尺寸可以小；电阻值随温度变化尽量是线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定；材料质纯、加工方便和价格便宜等。铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料，其中铂和铜最常用。,铂热电阻,铂热电阻的统一型号为WZP，其物理、化学性能非常稳定，长期复现性最好，测量精度高。铂热电阻主要用作标准电阻温度计。国际标准有Pt100，测温范围为-200960，电阻温度系数为3.910-3/，0时电阻值为100。但铂在高温下，易受还原性介质污染，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关系，因此使用时应装在保护套管中。,铂热电阻,铜热电阻,铜热电阻的统一型号为WZC，其优点是价格便宜、纯度高、复制性好，电阻温度系数为（4.254.28）10-3/，线性特性仅次于铂和银，但比铂电阻有较高的灵敏度，常用来做-50150范围内的工业用电阻温度计；其缺点是电阻率较低，容易氧化，为此只能用在较低温度和没有水份及腐蚀性的介质中。目前国标规定的铜热电阻有Cu50和Cu100两种。,铜热电阻,热电阻的引线形式,内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图所示。,热电阻的引线形式,两线制,两线制热电阻测量电桥,当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，将产生附加电阻，引起测量误差。,热电阻的引线形式,三线制,三线制热电阻测量电桥,当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。,热电阻的引线形式,四线制,四线式测温电路需要采用线性好的恒流源电路，恒流源输出2mA的电流。RT两端电压通过Rw2和Rw3直接输入由A1A3构成的仪表放大器的输入端。,热电阻的引线形式,从A2和B1两点来看，放大器的输入阻抗非常高，因此，流经两导线的电流近似为0，其电阻Rw2和Rw3可忽略不计。R1和C1及R2和C2构成低通滤波器,Rw1和Rw4串联在恒流源电路中，除作为电流的通路以外，还用于限制恒流电路和放大器的工作电压范围，与A2和B1端子间电位差无关，对测量精度影响不大。测量精度依赖于恒流电路输出电流的调整，调整时若无实际使用的传感器与电缆，用适当的电阻进行调整即可。,热敏电阻,1.热敏电阻的类型热敏电阻可按电阻的温度特性、结构、形状、用途、材料及测量温度范围等进行分类1）按温度特性分类热敏电阻按温度特性可分为三类：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界负温度系数热敏电阻（CTR），其电阻温度特性如下页图所示。,热敏电阻,热敏电阻,（1）负温度系数热敏电阻简称NTC，型号用MF表示。在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降，温度系数为-(16)%/，如上页图曲线1所示。（2）临界负温度系数热敏电阻简称CTR。CTR是一种开关型NTC，在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减小，如上图曲线4所示。（3）正温度系数热敏电阻简称PTC，型号用MZ表示。在工作温度范围内，其电阻值随温度上升而非线性增大。曲线2为缓变型，其温度系数为0.5%/8%/，曲线3为开关型，在居里点附近的温度系数可达10%/60%/。,热敏电阻,2）按材料分类热敏电阻按材料一般分为陶瓷、塑料、金刚石、单晶、非晶热敏电阻等。3）按工作温度范围分类（1）低温热敏电阻：工作温度低于-55。（2）常温热敏电阻：工作温度范围为-55315。（3）高温热敏电阻：工作温度高于315。,热敏电阻,热敏电阻,热敏电阻的优点：灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级；很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；体积小；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。,热敏电阻,热敏电阻的主要缺点：阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。,5.2.3热电式测温方法,、热电效应、热电偶基本定律、热电偶冷端温度误差及其补偿、热电偶实用测量电路,热电效应,热电效应于1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。如图所示：A、B两种导体称为热电偶的热电极。一端为工作端或热端（T），测温时置于被测温度场中；另一端为参考端或冷端（T0），恒定在某一温度。热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。,热电效应,热电效应,热电效应,结论：如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度如何，总电势为零；,热电效应,如果两接点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为零；热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；若A、B材料确定，热电势EAB(T,T0)是两接点温度T和T0的函数差,即如果T0保持恒定,则f(T0)=C(常数)热电势EAB(T,T0)只是工作端温度T的单值函数。,(1)热电偶的中间导体定律,(2)连接导体定律与中间温度定律,(2)连接导体定律与中间温度定律,(2)连接导体定律与中间温度定律,(3)标准电极定律,热电偶的温度误差及补偿,一、温度误差输出的热电势是被测温度的单值函数，一般将T作为被测温度端,T0作为固定冷端（或参考温度端），通常要求T00。参考端的温度变化,必然引起温度测量的误差,因此需要进行补偿。,热电偶的温度误差及补偿,热电偶的温度误差及补偿,热电偶实用测量电路,热电偶实用测量电路,热电偶实用测量电路,热电偶实用测量电路,5.3非接触式测温方法,非接触式测温方法以物体的热辐射原理为依据,因此又称为热辐射测温法.1、任何物体温度高于绝对零度（-273.16C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,辐射测温特点,非接触测量-不影响被测温度分布响应速度快：对高速运动物体测温。灵敏度高，能分辨微小的温度变化；测量范围广(-101300C)；抗干扰能力强，无需修正。,一、热辐射基本定律,(一)基尔霍夫定律(二)斯忒潘玻耳兹曼定律(三)普朗克定律(四)维恩位移定律,(一)基尔霍夫定律,1、出射辐射能与吸收辐射能的一致性辐通量：单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率，SI单位为瓦。光谱吸收率：-表示物体对辐射到其上的辐通量可吸收的比例。式中为被物体吸收的辐通量；为照射到物体单位面积上的辐通量。,(一)基尔霍夫定律,当时称为黑体，能全部吸收辐射到其上能量的物体（理想）。当时称为非黑体，只能部分吸收辐射到其上能量的物体（实际）。辐射出射度：从辐射源表面单位面积发射出的辐通量称为辐射出射度。单色辐射出射度：某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。,(一)基尔霍夫定律,热平衡时物体向四周的辐射功率等于它能吸收的功率。,物体的单色辐射出射度与单色吸收比的比值为一普适函数,与温度和波长有关。,(一)基尔霍夫定律,基尔霍夫定律：在相同温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。,(一)基尔霍夫定律,结论：,即：物体的光谱发射率等于其光谱吸收率。吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强。,(二)斯忒潘玻耳兹曼定律,斯忒潘玻耳兹曼定律描述物体辐射出射度与温度间的关系。温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。对于非黑体的一般物体,(二)斯忒潘玻耳兹曼定律,式中为温度为T时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数；为斯忒潘玻耳兹曼常数T为物体的热力学温度。斯忒潘玻耳兹曼定律是辐射式测温的理论依据。,（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）,式中，c光速；h普朗克常数，6.62617610-34Js；k波尔兹曼常数，1.3806624410-23J/K；C1第一辐射常数，3.741810-16Wm2；C2第二辐射常数，1.438810-12mK；T绝对温度。,温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为,普朗克定律描述辐射能量在各波长上的分布关系,也可以用辐射亮度来表示：,（四）维恩位移定律,维恩位移定律描述最大辐射波长与温度的关系热辐射光谱中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系,温度升高：单色辐射强度随温度升高而增加；总辐射能量增加；峰值波长减小。,每一条曲线下的面积表示该温度下物体辐射能量的总和，与温度的四次方成正比。,（四）维恩位移定律,二、辐射温度计,（一）全辐射温度计利用物体的温度与总辐射出射度的关系来测量温度。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：,二、辐射温度计,采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度；主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表和辅助装置组成；可用于测量-5020000C的