《自动检测技术》-课题2温度的测量

2.1任务一铂电阻温度仪2.1.1学习目标(1)了解温标的概念和温度的测量方法。(2)掌握铂电阻温度仪的工作原理和结构类型。(3)掌握铂电阻温度仪的应用电路制作。(4)掌握铂电阻温度仪的安装和校验方法。2.1.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解温度的测量方法，掌握铂电阻温度仪的工作原理和结构。

(2)结合实际工程项目的需要，能够制作铂电阻温度仪的测温电路。

(3)结合实际工程项目的要求，能够安装和校验铂电阻温度仪。下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪2.1.3知识准备1.概述(1)温标用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标等。

3种温标的换算关系为上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪(2)温度的测量方法温度不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。温度测量仪表就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。这些测温仪表通常是由感温元件部分和转换电路组成的，如图2.1所示。温度的测量方法，通常按感温元件是否与被测物接触而分为接触式测量和非接触式测量两大类。表2.1为常用测温仪表的工作原理、测温范围和特点。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪2.铂电阻温度仪的工作原理铂电阻温度仪是金属热电阻温度仪的一种，它是利用金属导体的电阻随温度的变化而变化的原理进行测温的。最基本的铂电阻温仪由热电阻、连接导线和显示仪表组成，如图2.2所示。对于金属材料，当温度升高时，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增大，即电阻值与温度的变化趋势相同，具有正温度系数。把热电阻的这种Rt-t之间函数关系Rt=f(t)约称为电阻一温度特性，铂电阻也具有这种特性。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪

工业用铂电阻的应用范围为-200~850℃，铂电阻的温度特性方程如下。在-200~0℃温度范围内在0~850℃温度范围内上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪3.铂热电阻温度计的侧温电路铂热电阻温度计的测温电路常用电桥电路。由于工业用铂电阻安装在现场，离控制室较远，铂电阻的引线暴露在室外，环境温度的变化能够使引线电阻发生变化。而引线电阻与铂电阻串联，因此对测量结果有较大的影响。为了减小或消除引线电阻产生的测量误差，目前，热电阻引线的连接方式经常采用三线制。在电阻体的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制，如图2.3所示。当铂电阻和电桥配合使用时，这种引线方式可以较好地消除引线电阻的影响，提高测量精度，所以工业铂电阻多采用这种方式。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪4.铂电阻温度仪的结构工业用铂电阻的结构如图2.4所示，它由电阻体、绝缘体、保护套管、引线和接线盒等组成。电阻体的结构，随用途的不同，也有很多种结构，如图2.5所示即为常见铂电阻体结构。图2.5(a)所示为玻璃管架铂丝电阻体，它是把直径0.03~0.04mm的细铂丝双绕在直径4~5mm的玻璃棒上，在最外层再套以薄玻璃管，烧结在一起，以便起保护作用。引线也烧结在玻璃棒上，根据不同需要可有2~4根引出线。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪2.1.4任务实施1.二线式铂热电阻恒温器电路如图2.8所示是二线式的铂热电阻接线实例。这是一种用来检测印制电路板上功率晶体管周围温度的恒温器电路，温度超过60℃时，A输出低电平，控制有关电路进行温度调节。电路中，RT采用100Ω的铂热电阻，RT与R1串联接到恒压源(+12V),RT中流经约1mA的电流。这种接法虽属于恒压法，但由于R1阻值比RT的大很多，RT阻值变化引起的测量电流变化不大，因此能够获得近似巨流法的线性输出。2.三线式侧温电路如图2.9所示是三线式测温电路实例。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪3.四线式侧温电路如图2.10所示是四线式测温电路实例。4.铂电阻温度仪的安装

(1)感温元件与被测介质能进行充分的热交换。铂电阻温度仪属接触式温度计，铂电阻是与被测介质进行热交换而测温的，保证能充分热交换，不应把铂电阻插至被测介质的死角区域。在管道中，铂电阻的工作端应处于管道流速最大处，保护管的末端应越过流束中心线约50~70mm。如图2.11(a)所示。

(2)感温元件应与被测介质形成逆流。

(3)避免热辐射所产生的测温误差。

(4)避免感温元件外露部分的热损失所产生的测温误差。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪(5)感温元件安装于负压管道、设备中(如烟道)时，必须保证其密封性，以免外界冷空气袭入，降低测量指示值，也可用绝热物质(如耐火泥或石棉绳)堵塞空隙。

(6)铂电阻的接线盒出线孔应向下，以防因密封不良而使水汽、灰尘或脏物等落入接线盒中影响测量。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪5.注意事项

(1)凡安装承受压力的感温元件，都必须保证其密封性。

(2)在介质中具有较大流速的管道中，安装感温元件时必须倾斜安装。为了避免感温元件收到过大的冲蚀，最好能把感温元件安装在管道的弯曲处。

(3)如被测介质中有尘粒、粉末物或测量腐蚀性介质时，为保护感温元件不受磨损，应加装保护屏或外保护管。

(4)在薄壁管道上安装感温元件时，需在连接处加装加强板。

(5)当介质工作压力超过10MPa时，必须加装保护外套。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪6.铂电阻的校验将待校验的铂电阻及校验用设备按图2.12线路连接，测出0℃及100℃的铂电阻值，求出R0，和R100/R0

，符合技术要求即可。7.铂电阻的常见故障铂电阻的常见故障是断路，找出断线处重新焊好，即可继续使用，铂电阻断线可用电压6一8V电弧焊焊接。短路的故障也时有出现，加绝缘衬垫或用漆片胶固即可，修理后的铂电阻必要时应重新校验。上一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.1学习目标(1)了解热电偶温度计的功能和作用。(2)掌握热电偶温度计的工作原理、结构和冷端补偿。(3)了解热电偶温度计的分类。(4)掌握热电偶测量电路的制作。(5)掌握热电偶温度计的安装和校验方法。下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.2学习任务

(1)通过查阅相关资料，了解热电偶温度计的功能和作用，掌握热电偶温度计的工作原理、结构和冷端补偿。

(2)结合实际工程项目的需要，能够制作热电偶测量电路。

(3)结合实际工程项目的要求，能够安装和校验热电偶温度计。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.3知识准备1.概述热电偶温度计是利用热电偶传感器的热电效应实现温度测量的仪表。热电偶能将温度转换成毫伏级热电势信号输出，通过导线连接显示仪表和记录仪表，进行温度指示、报警和温度控制等，如图2.13所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.热电偶侧温原理两种不同材料的导体A和B组成一个闭合回路，如图2.14所示。若热端和冷端的温度不同，则在该回路中将会产生电动势，两个节点的温差越大，所产生的电动势越大。组成回路的导体材料不同，所产生的电动势也不一样。这种现象称为热电效应。两种导体所组成的闭合回路称为热电偶;热电偶所产生的电动势称为热电势;组成热电偶的材料A和B称为热电极;两个接点的异端称为热端或测量端(工作端)，另一端则称为冷端或参考端(自由端)。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作

热电偶是基于热电效应的原理来测量温度的。热电偶的热端一般要插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备外，如果两端所处温度不同，则测温回路中会产生热电动势。在冷端温度保持不变的情况下，用显示仪表测得电动势数值后，便可知道被测温度的大小。(1)两种导体的接触电势接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触面形成的电势。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)单一导体的温差电势

(3)热电偶回路总电势对于导体A,B组成的热电偶回路，如图2.17所示，当接点温度t>to,NA>NB。时，回路中总热电势为上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作3.热电偶的基本定律

(1)中间导体定律在热电偶电路中接入第三种导体，只要保持该导体两个接入点的温度相等，回路中总的热电势不变，即第三种导体的引入对热电偶回路总热电势没有影响，如图2.18所示。由图2.18可得回路总电势为当t=to

，时上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作所以中间导体定律的意义:根据这个定律，在利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电势没有影响。如图2.19所示，可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的温度相同即可。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)中间温度定律(3)标准电极定律标准电极定律的意义:标准电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，那么任意两种电极配对后的热电势均可利用该定律计算，而不需要逐个进行测定。由于纯铂丝物理化学性能稳定，熔点高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极，称为标准铂热电极。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作4.热电偶的类型根据热电偶的测量原理，理论上任何两种材料的导体都可以作为热电极组成热电偶，但实际应用中，为了准确、可靠地进行温度测量，用来制造热电偶的材料要求物力和化学性质稳定、电阻温度系数小、电导率高、热电势大、线性好、成分均匀、复现性好。能够完全满足这些要求的材料是很难找到的，因此在应用中应根据具体应用情况选用不同的热电极材料。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(1)铂铑10一铂热电偶特点:热电特性稳定，测温准确度高，铂材料容易提纯，铂和铂锗合金熔点高，便于复制，可作为基准热电偶。缺点是热电势较低，价格昂贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体。(2)铂铑10-铂铑6热电偶特点:比铂铑10-铂热电偶具有更高的测量上限、更好的稳定性和更高的机械强度，室温下热电势较小，因此在0~50℃下不需要冷端补偿和修正，可作为标准热电偶。缺点是热电势小，不能用于0℃以下温度的测量。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(3)镍铬一镍硅热电偶特点:热电势较大，热电势与温度的关系很接近线性关系，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，化学稳定性好，复制性好，价格便宜。缺点是测量精度比S型热电偶低，热电势稳定性也比较差。但此种热电偶完全满足绝大多数工业条件下的测温要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。(4)镍铬一铜镍热电偶特点:热电势较大，热电灵敏度高，电阻率小，适用于还原性或中性气体下测温，价格便宜。缺点是测量范围低且窄，铜镍合金易受氧化而变质。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作5.热电偶的结构

(1)普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度，在工业测量上应用最多。由于使用的条件基本相似，所以这类热电偶结构已有通用标准，其基本组成相同。如图2.22所示，其结构主要包括热电极、绝缘管、保护套管和接线盒。普通热电偶根据安装连接形式可分为固定螺纹连接、固定法“今连接、活动法“今连接和无固定装置等形式。

(2)薄膜热电偶薄膜热电偶如图2.23所示，它是用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘片表面而制成的。测量端既小又薄，厚度约几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴，适用于测量微小面积上的瞬变温度。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(3)恺装热电偶恺装热电偶也称缆式热电偶，如图2.24所示，它是将保护套管、绝缘材料粉末与热电极三者熔铸成一体，经多次拉伸制成细长形状铁丝样的热电偶。这种热电偶的结构特点是热电偶可以做得很细很长，并且可弯曲，套管外径最细能达0.25mm，长度可达100m，便于在复杂场合安装，特别适用于结构复杂(如狭小弯曲管道内)的温度测量;而且耐高温、反应时间短、坚固耐用。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作6.热电偶的冷端补偿

(1)0℃冷端恒温法将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变，此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差。此时测得的热电势可以准确地反映热端温度变化的大小，直接查对应分度表即可得出热端温度的大小。由于冰融化较快，所以此法一般只适用于实验室中，如图2.25所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)补偿导线法(延引电极法)

实际测温时，由于热电偶的长度有限，冷端温度将直接受到被测介质温度和周围环境温度影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，电炉周围空气温度的不稳定性会影响到接线盒中的冷端温度，造成测量误差。虽然可以将热电偶做得很长，但对于贵金属热电极当做导线来用是不经济的，这将提高测量系统的成本。所以，一般采用在一定温度范围内(0~100℃)与热电偶热点特性相近且廉价的材料代替热电偶来延长热电极，这种导线称为补偿导线，这种方法称为补偿导线法。如图2.26所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(3)计算修正法当热电偶的冷端温度to

≠0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB(t,to)

与冷端为0℃时所测得的热电势EAB(t,0)不等。如冷端温度高于EAB(t,to)

<

EAB(t,0)。可以利用下式计算并修正测量误差上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(4)补偿电桥法计算修正法虽然很精确，但不适合连续测温。为此，有些仪表的测温线路中带有补偿电桥，利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。如图2.27所示。7.热电偶侧温线路(1)测量某一点温度如图2.28所示，为热电偶测量某一点温度的基本电路。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)测量两点间温度差的测温电路如图2.29所示，将两只同型号的热电偶反相串联，使其冷端处于同一温度下，即可测量两点温度差。这种连接方法使各自产生的热电动势互相抵消，仪表的读数为

(3)测量多点温度的测温电路多个被测温度用多个热电偶分别测量，但多个热电偶共用一台显示仪表，它们是通过专用的切换开关来进行多点测量的，测温电路如图2.30所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(4)测量几点温度之和的测温电路如图2.31所示，将几只同型号的热电偶正向串联，使其冷端处于同一温度下，即可直接从仪表读出输入到其两端的电动势之总和，测出多点温度之和。仪表的读数为

(5)测量平均温度的测温电路如图2.32所示，将几只同型号的热电偶并联，且使其冷端处于同一温度下，即可测量几点的平均温度。仪表的读数为上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.4任务实施1.制作热电偶传感器侧量电路热电偶温度传感器由于其测量温度范围广，可用于各行各业温度测量的场合，如用于真空炉、塑料注塑成型机、熔融金属、炼钢炉等温度的测量和控制，也广泛用于飞机发动机温度的测量、某点温度的测量等。

(1)热电偶测金属表面温度表面温度测量是温度测量的一大领域。金属表面温度的测量对于机械、冶金、能源、国防等部门来说是非常普遍的问题。例如，热处理的锻件、铸件、气体水蒸气管道、炉壁面等表面温度的测量。测量范围从几百到一千多摄氏度，而测量方法通常利用直接接触测温法。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)测控应用如图2.33所示为常用炉温测量控制系统。图中由毫伏定值器给出设定温度对应的毫伏数，当热电偶测量的热电势与定值器输出的数值有偏差，说明炉温偏离设定值，此偏差经放大器放大后送到调节器，再经晶闸管触发器推动晶闸管执行器，从而调整炉丝加热功率，消除偏差，达到温控的目的。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.热电偶的安装及注意事项

(1)注意插入深度

(2)避免热电偶与火焰直接接触。

(3)含有大量粉尘的气体温度的测量，最好选用恺装热电偶。

(4)高温下工作的热电偶，其安装位置应尽可能保持垂直，防止保护管在高温下产生变形。若必须水平安装时，则不宜过长，且应装有耐火粘土或耐热合金制成的支架。

(5)在安装瓷和氧化铝这一类保护管的热电偶时，其所选择的位置应适当，防止损坏保护管。插入或取出热电偶时，应避免急冷急热，以免保护管破裂。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作3.热电偶的校验热电偶在使用前要进行校验，一些主要场合的热电偶在使用过程中也要校验，因为热端被氧化、腐蚀和在高温下热电偶材料的再结晶，使热电特性发生变化而使测量误差越来越大。为了温度测量保证一定精确度，热电偶必须定期进行校验。通常采用如图2.34所示热电偶校验装置。上一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.3.1学习目标(1)了解集成温度传感器的功能和作用。(2)掌握集成温度传感器的工作原理。(3)了解集成温度传感器的结构和分类。(4)掌握集成温度测量电路的制作方法。2.3.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解集成温度传感器的结构分类，掌握集成温度传感器的工作原理。(2)结合实际工程项目的需要，能够制作集成温度测量电路。下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.3.3知识准备1.概述集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把感温元件(PN结)与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成的。其具有测温精度高、复现性好、体积小、线性好、热容量小、稳定性好、反应灵敏、输出电信号大、价格低、抗干扰能力强等优点，所以应用十分广泛。由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150℃以下的温度。上一页下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.集成温度传感器的基本工作原理集成温度传感器的测温基础是PN结的温度特性。硅二极管有个特性，当环境温度改变时，其PN结的正向电压降以-2mV/℃改变，正向导通电压与温度变化呈线性关系，所以PN结可以将感受到温度变化转换成电压变化量。电路的测温范围取决于二极管许可的工作温度范围，大多数二极管可以工作在-20~150℃。集成温度传感器内除了PN结之外，还有恒流源、放大器等集成电路，如图2.35所示上一页下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作3.集成温度传感器的分类(1)电压输出型如图2.36所示为电压输出型温度传感器原理电路图(2)电流输出型如图2.37所示为电流输出型集成温度传感器原理电路图2.3.4任务实施1.制作数显温度计在最简单的应用中，LM35可以按图2.39所示那样连接，仅仅为它提供一组直流电源，如9V电池电源，再加上一个用做显示的DVM(数字电压表)即可工作。LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器。上一页下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.温度侧量电路如图2.40所示为一简单测温电路，AD590在2