温度测量技术.ppt

2020/5/23,热加工测控技术电子教案第3章,材料科学与工程学院,2020/5/23,本章知识框架,2020/5/23,3.1温度检测技术概述,本节主要内容,3.1.2温度计标定,3.1.1温度与温标,3.1.3测温传感器分类,2020/5/23,3.1.1温度与温标,温度与温标的定义及关系,2020/5/23,温度与温标,温标的建立曾经历了一个逐渐发展、不断修改和完善的渐进过程。,经验温标,1714年德国科学家华伦海特（Fahrenhrit）以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物为温度计的零度，人体的温度为温度计的,为了确定地描述温度的数值，通常以两个特征温度为基准点建立温标。早期温标大多基于经验公式或人为的规定，由一定的实验方法确定，称为经验温标。,2020/5/23,温度与温标,100度，根据温度计的体膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作1F按照华氏温标，则水的冰点定为32F，沸点定为212F。1740年瑞典天文学家摄西阿斯（Celsius）提出在标准大气压下把水的冰点定为0度，水的沸点定为100度。根据水的这两个固定温度点作100等分，每一份称为1摄氏度，记作1。摄氏度和华氏度的关系为：,式中，为华氏度值(F)；为摄氏度值()。,2020/5/23,温度与温标,热力学温标,1848年英国科学家开尔文（Kelvin）提出以卡诺循环为基础建立热力学温标。认为物质有一个最低温度点存在，定为0开（0K），把水的三相点温度273.16K（相当0.01）选作唯一的参考点，在该温标中不会出现负温度值，热力学温度的单位为K。从理想气体状态方程入手可以复现热力学温标，称作绝对气体温标。这两种温标在数值上完全相同，且与测温物质无关。由于不存在理想气体和理想卡诺热机，故这类温标是无法实现的。在使用气体温度计测量温度时，要对其读数进行许多修正，修正过程又依赖于许多精确的测量，于是就导致了国际实用温标的问世。,2020/5/23,温度与温标,国际温标,第一个国际温标制定于1927年，1989年7月国际计量委员会批准了新的国际温标，简称ITS-90。我国于1994年元旦起全面推行ITS-90新温标。ITS-90同时定义国际开尔文温度（变量符号为T90）和国际摄氏温度（变量符号为t90）。水三相点热力学温度为27316K，摄氏度与开尔文度保留原有简单的关系式：,国际温标（InternationalTemperatureScale,ITS）是用来复现热力学温标的，其指导思想是采用气体温度计测出一系列标准固定温度，以它们为依据在固定点中间规定传递的仪器及温度值的内插公式。,2020/5/23,温度与温标,ITS-90对某些纯物质各相（固、液体）间可复现的平衡态温度赋予给定值，即给予了定义，定义的固定点共17个。ITS-90规定把整个温标分成四个温区，其相应的标准仪器如下：0.655.0K之间，用和蒸气压与温度的关系式来定义；3.024.5561K（氖三相点）之间，用氦气体温度计来定义；13.8033K（平衡氢三相点）961.78（银凝固点）之间，用基准铂电阻温度计来定义；961.78以上，用单色辐射温度计或光电高温计来复现。,2020/5/23,3.1.2温度计标定,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一系列国际温标定义的固定温度点作标准值，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，并根据国际温标规定的内插公式对温度计或传感器的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定。,更常用的标定方法是把被标定温度计（或传感器）与已被标定的更高一级精度的温度计（或传感器）紧靠在一起，同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选定的若干个温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经过多次升降温度的重复测试，若这些差值稳定，则记录的差值就可用作被标定温度计的修正量。,2020/5/23,3.1.3测温传感器分类,表3-1常用测温方法、类型及特点,基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态而相互没有热迁移，测温部分与被测目标保持同一温度，亦即根据测温部分的温度，即可知道被测目标的温度。,利用辐射的能量与被测目标温度间的一定关系来测量温度,2020/5/23,3.2热膨胀式温度计,1.固体膨胀式温度计,图3.1双金属温度计,感温元件为两种粘在一起且膨胀系数有差异的金属。通常的制造材料是高锰合金与膨胀系数仅为高锰合金二十分之一的殷钢。将复合材料的一端固定，另一端自由，当温度升高时，自由端将向被动层（膨胀系数小的材料）一侧弯曲，弯曲程度与温度相关。自由端焊上指针和转轴则随温度变化可以自由旋转，构成了室温计和工业用的双金属温度计。它也可用来实现简单的温度控制。,2020/5/23,热膨胀式温度计,在水银温度计的感温包附近引出一根导线，在对应的某个温度刻度线处再引出一根导线，当温度升高到此刻度时，水银柱就会把电路接通；反之，温度下降到该刻度以下，又会把电路断开，这就构成了具有固定切换值的位式作用温度传感器。,Advantage：简单直观、使用方便，有较高的灵敏度和精度Disadvantage：易碎、热惯性大，水银溢出对环境有污染，只能输出开关量信号,2020/5/23,热膨胀式温度计,3.压力式温度计,主要由感温包、传递压力元件、压力敏感元件（弹簧管、膜盒、波纹管等）、齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组成,感温包、传递压力元件和弹簧管的内腔共同构成一个封闭容器，其中充满了感温介质。当感温包受热后，内部介质因温度升高而压力增大，压力的变化经传递压力元件传递给弹簧管使其变形，并通过传动系统带动指针偏转，指示出相应的温度数值。,图3.3压力式温度计,2020/5/23,3.3热电偶测温技术,热电偶被广泛用于生产、科研中，和其他测温元件相比较，具有如下特点：测温精度高、测温范围广，从低温4K测至高达3073K（2800）；结构简单，便于维修；动态响应速度快，时间常数可达到毫秒甚至微秒级；易于实现远距离温度测量和控制等。,本节主要内容,3.3.1热电偶的测温原理,3.3.5热电偶测温的线路连接方法,3.3.3热电偶的冷端温度补偿方法,3.3.4热电偶的类型和结构,3.3.2热电偶测温的基本定理,3.3.6热电偶安装使用注意事项,2020/5/23,3.3.1热电偶的测温原理,图3.4热电偶工作原理示意图,它由两种导体（或半导体）A、B组成一个闭合回路，并使结点1和结点2处于不同温度和中，回路中就会产生热电势，这一现象称为温差效应或塞贝克效应，即通常所说的热电效应。,总的热电势EAB(T,T0)与温度之间存在着连续的对应关系，根据这种对应关系，可以测定各种热电偶的热电特性曲线，并可以制成各种型号热电偶热电势温度对应表，即分度表,热电偶产生的总电动势,接触电势,温差电势,两种导体产生,单一导体产生,2020/5/23,热电偶的测温原理,1.接触电势,单位时间内由金属A扩散到金属B的电子数要比从B扩散到A的电子数多,图3.6接触电势示意图,NANB,金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电,在接触处形成电位差，即接触电势,NA和NB分别为A、B的电子密度,2020/5/23,热电偶的测温原理,2.温差电势,高温端自由电子的扩散速率比低温端大,图3.7温差电势示意图,对于导体的某一薄层来说，温度较高的一端失去电子带正电，温度较低的一端得到电子而带负电,形成温差电势,导体内高温端自由电子的动能比低温端自由电子的动能大,2020/5/23,热电偶的测温原理,2020/5/23,热电偶的测温原理,2020/5/23,热电偶的测温原理,由讨论结果可知：,热电偶必须由两种不同材料的热电极组成；热电偶的两接触点必须具有不同的温度；当热电极材料固定后，热电势EAB(T,T0)是温度(T,T0)的函数。如果保持T0不变，则EAB(T,T0)是T0的单值函数。,2020/5/23,3.3.2热电偶测温的基本定律,利用热电偶测温时，必须在热电偶回路中引入连接导线和测量仪表，它们可能会对热电势造成一定的影响，因此，有比要进一步掌握热电偶应用的基本定律。,1.匀质导体定律,在由相同导体或半导体组成的闭合回路中，不论几何尺寸如何以及各处温度分布如何，都不能产生热电势。,应用这一定律可以来校验热电偶，如果由匀质材料组成热电偶回路，则不产生测温作用；若热电偶的热电极由非匀质材料组成的闭合回路，且存在温差时，则有热电势输出，其值越大，说明热电极的成分和应力分布越不均匀，因此可以检查热电极的不均匀性。,2020/5/23,热电偶测温的基本定律,2.中间导体定律,在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶总的热电势没有影响。,如图3.8中，用中间导体C接入热电偶回路，其总热电势为：,因为：,图3.8有中间导体的热电偶回路图,2020/5/23,热电偶测温的基本定律,于是：,若在回路中接入多个导体，只要每个导体两端温度相同，也可得到同样的结论。应用这一定律，可在热电偶回路中串入显示仪表或连接导体，只要显示仪表或连接导体两端温度相同，那么对热电偶产生的热电势没有影响，也就不会影响测试精度。,2020/5/23,热电偶测温的基本定律,3.连接导体定律和中间温度定律,中间导体定律:如图3.9中，假设热电偶两极线两端温度为T1、T2，连接导线两端温度为T2、T3。如果测得端和端的热电势为EABBA(T1,T2,T3)，则它必然为热电偶A、B的热电势EAB(T1,T2)与连接导线A、B在温度T2和T3时的热电势EAB(T2,T3)的代数和，即：,图3.9用导线连接的热电偶回路,2020/5/23,热电偶测温的基本定律,在实际中，和采用补偿导线，或在两结点同温度条件下，是热电偶本身直接和配用仪表相接。,中间温度定律:如果A与A，B与B材料分别相同,热电偶在结点温度为T1、T3时的热电势EAB(T1,T3)等于热电偶在(T1,T2)、(T2,T3)时相应的热电势EAB(T1,T2)与EAB(T2,T3)的代数和，即：,中间温度定律是是制订热电偶分度表的理论基础。,2020/5/23,热电偶测温的基本定律,4.参考电极定律,图3.10中，如果将热电极C作为参考电极与任意两热电极A、B配对，那么在接点温度相同的情况下，任意两电极A、B再行配对后的热电势为：,图3.10中间温度定律,上式中，EAB(T,T0)为A、B两热电极配对后，在接点温度为(T，T0)时的热电势；EAC(T,T0)为参考电极C与热电极A配对后，接点温度为(T，T0）时的热电势；EAB(T,T0)为参考电极C与热电极B配对后，接点温度为(T，T0）时的热电势。,2020/5/23,3.3.3热电偶的冷端温度补偿方法,热电偶的热电势值与热电极材料和两接点的温度有关，而热电偶的分度表以及根据分度表的测温仪表都是以热电偶冷端温度为0为基础的。但实际上热电偶的冷端温度不可能一直自然保持在0或某一固定温度，因此需要对热电偶进行冷端温度补偿。目前，温度补偿的方法主要有以下几种。,1.冷端恒温法,将冷端放在冰水混合物中，维持冷端温度为0，此方法精度高，用于实验室进行热电偶校正；将冷端放在盛油的容器中，利用油的惰性使冷端温度恒定；将冷端放在加热的恒温器中，恒温器用电加热，并用自动控制装置使其温度恒定。,2020/5/23,热电偶的冷端温度补偿方法,2.冷端温度校正法,当冷端温度大于0时，由：,可知热电偶输出的热电势将比EAB(T,T0)小，这一热电势输入仪表后，仪表的指示温度T指将比被测温度T低，即T指=T-T此时，假设仪表指示值所对应的热电势为EAB(T指,T0)，若(T,T0)的平均热电势率为(dE/dT)指，则：,而,2020/5/23,热电偶的冷端温度补偿方法,如果令,则,K称为补偿系数，常用几种热电偶的近似K值见表3-2。,表3-2常用热电偶的近似K值,2020/5/23,热电偶的冷端温度补偿方法,3.热电偶补偿法,在热电偶回路中串联一只同型号热电偶，称为热电偶补偿，连接方法见图3.11。将热补偿电偶的工作端置于恒定温度T0中，假设T0=0，则T0可完全补偿，如果为非零的恒定温度，则可由分度表查得对应的热电势值加上仪表的读数而获得真实温度。这种补偿法可用于多点测温，用一只热电偶对多只工作热电偶进行温度补偿。,图3.11热电偶补偿线路,2020/5/23,热电偶的冷端温度补偿方法,4.补偿导线法,根据中间导体定律，当热电极A、B与A、B相连后，回路仍可看作仅由A、B热电极组成。在低温范围0100，导线A、B的特性与热电极A、B的特性近似，这种导线被称为补偿导线，其作用在于把热电偶参考端移至远离热源并且温度恒定的地方，从而达到稳定冷端温度的目的。,使用补偿导线时应注意：,不同热电偶应配接不同补偿导线，且必须在规定的温度范围内；补偿导线与热电偶连接时，正极与正极相连，不能将极性接反，否则非但不能起到补偿作用，相反还会造成更大的测量误差。,2020/5/23,热电偶的冷端温度补偿方法,常见的补偿导线见表3-3所示,表3-3常用补偿导线色别及热电特性,2020/5/23,热电偶的冷端温度补偿方法,5.补偿电桥法,当热电偶工作端温度为T，冷端温度为Tn时，如果能够在热电偶回路中串接一个电势U=EAB(Tn,T0)，就可使测量仪的输出电势为：,此时即可获得正确的测量值，这就是补偿电桥法的基本依据。,显然，所谓的冷端温度补偿器实际上是一个能够产生直流信号为EAB(Tn,T0)的毫伏发生器，将其串接在热电偶测量线路中，可使读数得到自动补偿。,2020/5/23,热电偶的冷端温度补偿方法,一般的冷端补偿器内部为一个不平衡电桥，见图3.12。连接时，满足以下条件：,电桥输出端与热电偶串接；电桥三臂由电阻温度系数较小的锰铜线绕制，使温度不随环境温度变化；另一臂由电阻温度系数较大的铜线绕制，并使在20时，阻值为1，此时电桥平衡，没有电压输出；适当选择值，可使电桥的电压输出特性与所配接热电偶的热电特性相近，并且在温度大于20时，电桥电压使热电偶毫伏数增加，在温度低于20时，电桥电压使热电偶毫伏数减小，从而达到自动补偿冷端温度的目的。,图3.12冷端温度补偿电桥,2020/5/23,3.3.4热电偶的类型和结构,1.热电偶的类型,根据热电偶的工作原理，从理论上说，任何两种导体都可以配成热电偶，但是工程上要求测量温度具有一定的精度，所以选作热电偶的材料有一定的要求。设计时，必须考虑以下几点：,配成的热电偶有较大的热电势和热电势率；测量温度范围广，物理化学性质稳定，长期工作后，热电特性较稳定；电阻温度系数和比热要小；便于制作，资源丰富。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,根据上述原则，常用热电偶材料有铜、铁、铂、铂铑合金及镍铬合金等，由于两种纯金属组成的热电偶的热电势率很小，所以目前常用的热电偶大多数是合金与纯金属相配或者合金与合金相配。图3.13给出了几种常用热电偶材料配对后的热电特性曲线。,图3.13常用热电偶热电特性曲线,2020/5/23,热电偶的类型和结构,1)标准热电偶,国际上规定热电偶分为8个不同的分度号，分别为S、R、B、K、N、E、J和T，其测量温度的最低可测-270，最高可达1800，其中S、R、B属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以又被称为贵金属热电偶，而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。常用的标准热电偶有以下七种：,铂铑10-铂热电偶,镍铬-镍硅热电偶,镍铬-康铜热电偶,铜-康铜热电偶,铁-康铜热电偶,镍铬硅-镍硅热电偶,铂铑30-铂铑6热电偶,2020/5/23,热电偶的类型和结构,铂铑10-铂热电偶：,正极（SP）是铂铑合金，可测量1600高温，长期工作温度为01300它属于贵重金属热电偶，具有较稳定的物理化学性质，抗氧化能力强，可在氧化性性气体介质中工作，不适宜在金属蒸汽、金属氧化物和其他还原性介质中工作，必须选用可靠保护管热电势小，测量时要配用灵敏度高的仪表，由于它有高的精度，因此国际温标规定：它是630.711064.43范围内的基准热电偶，其分度号为S。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,该热电偶的两个热电极均采用铂铑合金，只是正极（BP）负极（BN）含铑量不同，能长期在1600的温度中使用，短期最高使用温度为1800，属于高温热电偶，也是目前使用最为广泛的一种热电偶该热电偶特性稳定，一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在050范围内热电势小于3V但热电势率小，测量时需配用灵敏度高的仪表，且价格较贵，分度号为B。,铂铑30-铂铑6热电偶：,2020/5/23,热电偶的类型和结构,镍铬-镍硅热电偶：,正极（KP）镍铬比为90:10，负极（KN）镍硅比为97:3，短期可测量1300，长时间工作温度为900物理化学性能稳定，抗氧化能力强，但不能直接在高温下用于硫、还原性或还原/氧化交替的气氛中和真空中热电势比S型大的多，价格便宜，虽然测量精度偏低，但完全能满足工业测量要求，在工业上广泛应用，目前我国把这种热电偶作为三等标准热电偶，用来校正工业用镍铬-镍硅热电偶，分度号为K。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,镍铬硅-镍硅热电偶：,分度号为N，正极（NP）Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，负极（NN）Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1它是一种最新国际标准化的热电偶，克服了K型热电偶的两个重要缺点：在300500间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定在800左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定其他特点与K型热电偶相同，但不受短程有序化的影响，综合性能优于K型热电偶。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,镍铬-康铜热电偶：,又称镍铬-铜镍热电偶，正极（EP）镍铬比为90:10，与KP相同，负极（EN）为铜镍合金该热电偶的使用温度为-200900，在热处理车间低温炉中（600以下）得到广泛使用电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不灵敏，宜用于湿度较高的环境具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点。分度号为E。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,铁-康铜热电偶：,正极（JP）为纯铁，负极（JN）为康铜（铜镍合金，55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰、钴、铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换）特点是热电势大，价格便宜，适用于真空氧化的还原性或惰性气氛中，温度范围从-200800，但常用温度在500以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命该热电偶能耐氢气及一氧化碳等气体的腐蚀，但不能在高温（如500）含硫的气氛中使用，分度号为J。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,铜-康铜热电偶：,又称铜-铜镍热电偶，正极（TP）为纯铜，负极（TN）为铜镍合金（也称康铜），与镍铬-康铜EN通用，与铁-康铜JN不能通用它的使用温度是-200350，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300，在-200300范围内，灵敏度比较高主要特点是：热电动较大，准确度最高，稳定性和均匀性好，在-2000温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于3V它是常用几种定型产品中最便宜的一种，分度号为T,2020/5/23,热电偶的类型和结构,2)非标准热电偶,钨-钼热电偶：,钨、钼的化学稳定性差，不能在氧化性介质中工作，钨在空气中达400500时即显著氧化，在高于1000时，即变成黄色的三氧化钨，同样钼在空气中达600时也要氧化成二氧化钼，虽然它们可以在还原性介质中工作，但高温下稳定性较差，因此只能在真空中或中性介质中工作。实验指出，钨-钼热电偶的热电势是很低的，而且热电势与温度之间的关系有返回点，即在开始加热时，钨-钼热电偶的热电势为负，到500600时负值达到最低，然后又逐渐上升，大约在1300时返回零点，以后就又直上升了，所以钨钼热电偶只用在13002200之间，在这一温度范围内它们的线性还是较好的。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,钨铼热电偶：,使用最多的是钨铼5/20，正极含铼5%，负极含铼20%。钨铼热电偶测温范围大，可从0开始到2800；热电势与温度的关系近似直线，灵敏度高，在10002800范围内较稳定，灵敏度约为0.018mV/抗氧化能力差，如直径为1mm的钨铼丝，在加热到2800后不到一分钟，电极就氧化为0.5mm的直径。因此它只能在真空或惰性气体中工作。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,铱铑热电偶：,它是目前应用在真空和中性气体中，特别是在氧化性气体中唯一可以测量到2000的热电偶。,其他热电偶：,上面介绍的一些热电偶均系金属或合金电极，由于受熔点的限制，能用于高温范围的很少，而且性能的局限性也很大，因此非金属高温热电偶的研究受到重视，并且取得了成果，比较成熟的有：热解石墨热电偶，二硅化钨-二硅化钼热电偶，石墨-二硼化锆热电偶，石墨-碳化钛热电偶和石墨-碳化铌热电偶。这五种产品的精度可达1%1.5%，在氧化气氛中，可用于1700左右，二硅化钨-二硅化钼热电偶在中性和还原气氛中可应用到2500。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,2.热电偶的结构,由于热电偶广泛地应用在各种条件下的温度测量，以致热电偶结构形式非常之多。按热电偶本身结构可分为普通装配热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶等；根据不同用途又可分为表面热电偶、快速热电偶、多点热电偶、测量气体用的热电偶、测量光辐射强度的热电堆及真空热电偶等。下面分别介绍几种主要的热电偶结构。,1)普通装配热电偶,3)表面热电偶,4)快速微型热电偶,2)铠装热电偶,2020/5/23,热电偶的类型和结构,普通装配热电偶,图3.14普通热电偶结构简图,2020/5/23,热电偶的类型和结构,铠装热电偶,铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属保护套管组成的特殊结构热电偶，如图3.15所示，在结构上有固定卡套式、无固定装置式、可动卡套式、固定法兰式可动法兰式等型式。与装配热电偶相比，铠装热电偶通常是经多次一体拉制成型，而不是装配成型。在外形上，与普通装配热电偶没有明显的区别。,图3.15铠装热电偶,2020/5/23,热电偶的类型和结构,铠装热电偶的断面，可分为单芯和双芯两种。铠装热电偶的热电极周围由氧化物粉末填充绝缘。常用氧化物粉末有氧化镁粉，也用氧化铝粉的。,整个热电偶直径为13mm。套管外壁厚为0.120.6mm，热电偶内部直径为0.20.8mm或更细。双芯铠装热电偶，内部双芯分别为两根热电极，其顶部焊接在一起，而单芯热电偶外套管即为一极，因此,中心电极在顶端应与套管焊接在一起，见图3.17(a)。铠装热电偶工作端的其他结构如见3.17(b)至图3.17(e)，一般可根据使用要求选择。,图3.16铠装热电偶断面图,图3.17铠装热电偶工作端的结构,2020/5/23,热电偶的类型和结构,表面热电偶,表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度的，如冲天炉外壳、金属型等。表面热电偶大多是根据被测对象自行设计、安装和使用的。但也有一些定型产品，如便携式表面温度计，多数制成探头形式，它与显示仪表装在一起。,图3.18常用表面热电偶,2020/5/23,热电偶的类型和结构,快速微型热电偶,快速微型热电偶又称消耗式热电偶，它是专为测量钢水、铁水和其他熔融金属而设计的。,图3.19常用快速热电偶,快速微型热电偶主要特点是热电偶元件很小，而且每次测量后进行更换。热电极一般采用直径为0.05mm0.1mm的铂铑10-铂、铂铑30-铂铑6和钨铼5-钨铼20等材料，长度为2540mm，补偿导线固定在测温管内，并通过插件和接往显示仪表的补偿导线连接。,2020/5/23,热电偶的类型和结构,图3.20快速微型热电偶测温头结构,1-外保护帽；2-U型石英管；3-外纸管；4-高温水泥；5-热电偶参考端；6-填充物；7-绝缘纸管；8-小纸管；9-补偿导线；10-塑料插件,U型保护管一般釆用外径为1mm3mm的透明石英管。热电偶参考端在测温头内，为了保证在测温过程中热电偶参考端温度不超过允许值（一般为100），必须用绝热性良好的纸管加以保护。特点是：当其插入钢水后，保护帽瞬时熔化，热电偶工作端即刻暴露于钢水中，由于石英管和热电偶热容量都很小，因此能很快反映出钢水的温度，反应时间一般为46s。在测出温度后，热电偶和石英保护管都被烧坏，因此它只能一次性使用。,2020/5/23,3.3.5热电偶测温的线路连接方式,1.热电偶串联测量电路,图3.21热电偶串联线路,优点是热电势大、精密度比单支热电偶高。缺点是只要线路中有一支热电偶断开，整个线路就不能工作，或当个别热电偶短路后，也会引起指示值显著偏小。该电路主要应用于测量较低温度和产生热电势比较小的地方。,2020/5/23,热电偶测温的线路连接方式,2.热电偶并联测量电路,图3.22热电偶并联线路,该电路只适用于具有相同热电特性的同一类热电偶中。若其中一支热电偶的热电势增加一个数值，E由于其余热电偶的分路作用，回路输出电势增加E/N该回路的热电势要比串联小得多，但当部分热电偶发生断路时，它不会影响整个并联线路的工作。,2020/5/23,热电偶测温的线路连接方式,3.温差测量电路,图3.23热电偶温差测量电路,回路输出的总的热电势取决于接点处的温度和，当其相等时，热电势为零；不等时，才有热电信号输出。如果要用示差热电偶作温度差的绝对测量，则必须保证在不同的温度范围内，相同的温度差对应相同的电势，也就是要求两支热电偶具有完全相同的特性，而且具有良好的线性,2020/5/23,3.3.6热电偶的安装和使用注意事项,热电偶的安装和使用不当，不但会增加测量误差，而且会降低热电偶的使用寿命。因此，使用热电偶时，应注意以下事项。,根据所测点的大致温度及烟道炉墙厚度，选用热电偶的型号及长度。贵重热电偶如铂铑-铂热电偶除测高温外尽量少用。热电偶应选择合适的安装点，由于热电偶所测的温度只是热电偶热端周围小范围的温度，因此，应将热电偶安装在温度较均匀且代表工件温度的地方。同时，热电偶的测量是通过感温元件与被测介质热交换进行的，因此，不应把感温元件插至被测介质的死角区域。热电偶的接线盒不应靠近炉壁，以免冷端温度过高。热电偶的安装应尽可能避开磁场和电场，如在盐浴炉中热电偶不应靠近电极。,2020/5/23,热电偶的安装和使用注意事项,避免热电偶外露部分因导热损失所产生的测量误差。如热电偶插入深度不足时，且其外露部分置于空气流通之中，则由于通过热电偶丝的热量散失，所测出的温度往往比实际值偏低。热电偶插入炉壁深度一般不小于热电偶保护管外径的810倍，热电偶的热端尽可能靠近被加热工件，但须保证装卸工件时不损坏热电偶。用热电偶测量反射炉、煤气炉和油炉温度时，应避开火焰的直接喷射，因为火焰的温炉内高而且不稳定，否则必然会使测量值偏高。在低温测量中，为减少热电偶的热惯性，保护管端头可不封闭或不用保护管。多点测温时，应采用多点切换开关，注意防止热电偶接线短路和接地。,2020/5/23,3.4热电阻测温技术,本节主要内容,3.4.1热电阻测温的基本原理,3.4.1热电阻的接线方式,3.4.2常用热电阻,2020/5/23,3.4.1热电阻测温的基本原理,1.金属热电阻,从物理学可知，一般金属导体具有正的电阻温度系数，它的表达式为：,式中，R0是在温度t=0时的电阻，式中的项数取决于材料、要求的测温精度和测定的温度范围。常用的制作金属丝热电阻的材料有铂、铜、铁、镍、银等，其中铂、镍、铜最为常用，一般取到二次项或三次项即可，在一定的温度范围内有相当好的线性。,2020/5/23,热电阻测温的基本原理,2.半导体热敏电阻,图3.21热敏电阻,与金属热电阻相比，它有如下优点：电阻系数大，灵敏度高，比一般金属热电阻大10100倍；结构简单，体积小，可以测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。但是半导体热敏电阻的稳定性和互换性差,2020/5/23,热电阻测温的基本原理,热敏电阻的电阻值与温度之间的关系为：,式中，为热敏与电阻的尺寸、形状和物理特性有关的常数；为与热敏电阻物理特性有关的常数，也称为材料常数，和都由试验求得；为热敏电阻的热力学温度。,求解式(3-22)的系数时，通常测量20时热敏电阻的阻值和100时的阻值，从而可求得：,2020/5/23,热电阻测温的基本原理,热敏电阻按其温度特性通常可分为三类：负温度系数热敏电阻NTC(NegativeTemperatureCoefficientThermistor)、正温度系数热敏电阻PTC(PositiveTemperatureCoefficientThermistor)和临界温度系数热敏电阻CTR(CriticalTemperatureResistor)。,表3-4热敏电阻的使用温度范围,2020/5/23,3.4.2常用热电阻,1.铂热电阻,铂热电阻与温度之间的关系接近于线性，在0630.70范围内可用下式表示：,在-1900范围内为：,式中，T0、Tt为温度为0及t时铂热电阻的电阻值；1、2、3为温度系数，由实验确定,2020/5/23,常用热电阻,2.铜热电阻,在测温精度要求不高、测温范围比较小的情况下，可采用铜电阻代替铂热电阻。在-50150的温度范围内，铜热电阻与温度成线性关系，其电阻与温度的关系可表示为：,由于铜的比电阻小，根据R=(L)/S可知小时，要制造一定电阻的热电阻体，则电阻丝要求细而长，这就使热电阻体的体积大，机械强度降低。,2020/5/23,3.4.3热电阻的接线方式,目前，热电阻温度计的连接方式有二线制、三线制和四线制接法。,图3.24热电阻的接线方式,(a)二线制接法；(b)三线制接法；(c)四线制接法,2020/5/23,热电阻的接线方式,二线制接法,热电阻Rt有两根引线，通过连接导线接入由Rl、R2、R3组成的不平衡电桥，由于引线及连接导线的电阻与热电阻处于电桥的一个桥臂中，它们随环境温度的变化全部加入到热电阻的变化之中，直接影响热电阻温度计测量温度的准确性。由于二线制接法简单，实际工作中仍有应用。,三线制接法,热电阻Rt有三根引线，此时有两根引线及其连接导线的电阻分别加到电桥相邻两桥臂中，第三根线则接到电源线上，即相当于把电源与电桥的连接点从显示仪表内部桥路上移到热电阻体附近。这样，在测温工作中由于这些电阻的变化而带来的影响就极小了。,2020/5/23,热电阻的接线方式,二线制接法,这是为了更好地消除引线电阻变化对测温的影响。在实验室测温和计量标准工作中采用四引线热电阻，配合用的仪表为精密电位差计或精密测温电桥。在热电阻体两端各连接两根引线，其中两根引线为热电阻提供恒流源I，在热电阻上产生u=RtI，通过另两根引线引到电位差计上，利用电位差计平衡读数时，电位差计不取电流，热电阻的电位测量线没有电流通过，所以，热电阻引线和连接导线的电阻无论怎样变化也不会影响热电阻Rt的测量，因而完全消除了引线电阻变化对测温精度的影响。,2020/5/23,3.5辐射式测温技术,用物体的辐射作用来测量其温度的高温计叫辐射式高温计。辐射式高温计在工业生产中，广泛用于测量高于900的物体温度，这类仪器是利用被加热的物体的辐射能与其温度有关的原理，这种测温方法不需要与被测物体接触，所以在测量过程中不会扰乱被测对象的温度场分布，也不会对被测对象带来任何影响。由于是非接触式测温，因此其测量上限可以达到任何温度，并且动态响应快。,本节主要内容,3.5.1辐射测温的物理基础,3.5.2辐射式测温仪表,2020/5/23,3.5.1辐射测温的物理基础,物体中电子振动的结果，就对外发射出辐射能。电磁波就是辐射能传送的具体形式。自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度以上，都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式称为辐射。物体总具有辐射的能力，同时也具有吸收外界辐射的能力，因此物体究竟是吸热还是放热要取决于该物体在同一时间内所放射和吸收能量之差。只要参与辐射热诸物体的温度不同，这种差就不会是零，即使在同一温度，辐射换热还是照常进行，只是此时物体辐射和吸收的能量都相等而处于热平衡状态而已。,2020/5/23,辐射测温的物理基础,假设落到某物体的热能量为Q0，其中被吸收QA，被反射QR，透过该物体QD，则：,或,式中，A=QA/Q0为物体的吸收率，当A1时称绝对黑体；R=QR/Q0为物体的反射率，当Rl时称绝对白体；D=QD/Q0为物体的穿透率，当Dl时称绝对透明体。自然界中，并没有绝对黑体、绝对白体和绝对透明体。石油O2、N2煤烟等按近黑体，磨光的金属接近于白体，双原子气体O2、N2等接近于透明体。凡是善于反射的物体一定不善于吸收辐射能，反之亦然。一般工程上碰到的实际物体，对射线可吸收一部分，又可反射(或透射)一部分。有些物体对各种波长光线的吸收(或反射)率都一样，这种物体称为灰体。,2020/5/23,辐射测温的物理基础,1.普郎克定律,物体在单位时间内和单位面积上所辐射的能量叫全辐射能，用E表示，它包括波长从零到无穷的能量。在单位时间内和单位面积上辐射出去的某一波长的能量称为单色强度，用E表示。普郎克定律揭示了在各种不同温度下黑体辐射能量按波长分布的规律，其关系式为：,式中，为波长(m)；T为物体绝对温度(K)；C1为普郎克第一辐射常数；C2为普郎克第二辐射常数；E0为绝对黑体单色辐射强度。,2020/5/23,辐射测温的物理基础,图3.25E0、和T的关系,当0及时，E0=0，同时辐射强度最高峰随着物体温度的升高而转向波长较短的一边,2020/5/23,辐射测温的物理基础,2.维恩公式,在温度不太高(3000K)，且波长很小时，普郎克定律可简化为：,上式称为维恩公式，它计算比较方便，一般在3000K以下的可见光范围内，都采用这个公式。,3.斯蒂芬波尔茨曼定律,将E0从=0到进行积分，可以求得绝对黑体的全辐射能,由此可知，物体的全辐射能和它的绝对温度的四次方成正比，因此这一定律又称四次平方定律。,2020/5/23,3.5.2辐射式测温仪表,1.全辐射高温计,全辐射高温计是利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度的，即它是基于四次方定律而工作的。由于实际物体的吸收能力小于绝对黑体，即1，因此用全辐射高温计测得的温度总是低于物体的温度。如果已知物体的黑度，则可根据下式求得物体的真实温度。,式中，为黑体全辐射所具有的温度；为被测物体的真实温度。,2020/5/23,辐射式测温仪表,图3.26全辐射高温计的结构示意图,图3.27热电堆探测器,测温工作过程如下：被测物体的辐射能量经物镜聚焦到热电堆的靶心铂片上，将辐射能转变为热能，再由热电堆变成热电动势，由显示仪表显示出热电动势的大小；由热电动势的数值可知所测温度的大小。这种测温系统适用于远距离、不能直接接触的高温物体，其测温范围为4003000。,2020/5/23,辐射式测温仪表,2.亮度高温计,亮度高温计是利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度。由于实际物体的单色辐射黑度系数小于绝对黑体，因而实际物体的单色亮度小于绝对黑体的单色亮度，故系统测得的亮度温度TL低于被测物体的真实温度T，它们之间的关系为：,亮度高温计的形式很多，较常用的有光学高温计和各种光电亮度高温计。,式中，T为单色辐射黑度系数。,2020/5/23,辐射式测温仪表,光学高温计,2020/5/23,辐射式测温仪表,图3.30光学高温计的瞄准情况,当被测对象比灯丝亮时，灯丝成为一条暗线；当被测对象比灯丝暗时，灯丝成为一条亮线；当灯丝的亮度和被测对象的亮度相同时，灯丝影象就消失在被测对象的影象里，这时毫伏计指示的读数即可显示被测对象温度的的高低。,2020/5/23,辐射式测温仪表,光学亮度高温计,图3.31光电亮度高温计原理示意图,这种高温计的量程宽，具有较高的测量精度，一般用于测量7003200范围的浇铸、轧钢、锻压、热处理时的温度。,2020/5/23,辐射式测温仪表,3.比色高温计,比色高温计以测量两个波长的辐射亮度之比为基础。通常将波