教学材料《工程测试技术》-第10章

1.测温原理温度是表征物体冷热程度的一个物理量。冷热的概念是由人们的感觉建立起来的。人们可以直接感知物体的冷热，但不能定量地判断物体冷热的程度。温度即定量地描述物体冷热程度的物理量。任意两个冷热程度不同的物体相接触，必然发生热交换现象。热量将由受热程度高的物体传递给受热程度低的物体，直到两物体冷热程度完全一致，即达到热平衡为止，此时两物体的温度必然相等。简而言之，如果两物体的温度不等，它们之间就有热不平衡，也就有热交换，热量就会由高温物体传输到低温物体。若利用这一原理，就可以测量物体的温度。例如，要测量物体B的温度，可以选择物体A同被测物体B相接触，通过物体A的已知温度特性，间接地测量出物体B的温度10.1温度的测量方法下一页返回2.温度传感器分类温度传感器可以分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触，这是测温的基本形式。这种形式是通过接触把被测物体的热能量传送给温度传感器，这就降低了被测物体的温度。特别是被测物较小，热能量较弱时，不能正确地测得物体的真实温度。因此，采用接触方式测温时，测得物体真实温度的前提条件是：被测物体的热容量必须足够大且大于温度传感器。非接触方式是测量被测物体的辐射热的一种方式，它可以测量远距离物体的温度，这是接触方式做不到的。但是要注意采用非接触式温度传感器较难测量±1℃以下的温度。常用的温度传感器分类见图10.1所示。3.温标温标是用来衡量物理的标准尺度，是温度的数值表示。它规定了温度的读数起点(零点)和温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。10.1温度的测量方法上一页下一页返回国际上用得较多的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标等。1)摄氏温标(℃)摄氏温标是根据液体(水银)受热后体积膨胀的性质建立起来的。它的分度方法是在标准大气压下，将纯水的冰的融点规定为摄氏零度（0℃)，把纯水的沸点规定为摄氏100度(100℃)。在这两个固定点间划分一百等份，每一等份代表摄氏度1度。摄氏温标用小写字母t表示，单位符号为℃。2)华氏温标(℉)华氏温标也是根据液体(水银)受热后膨胀的性质建立起来的。它的分度方法是在标准大气压下，将纯水的冰融点规定为32℉，纯水的沸点规定为212℉，两固定点间划分180等份，每一等份为华氏1度(℉)。10.1温度的测量方法上一页下一页返回它与摄氏温度的关系为式中，m，n分别表示华氏和摄氏温度值。3)热力学温标(K，开尔文)1848年开尔文从理沦上提出了一种和任何物体性质无关的温标—热力学温标。它是以热力学第二定律为基础的理想温标。它规定分子运动停止(即没有热存在)时的温度为绝对零度(0K)，其温度值可由卡诺定理导出，由于实际上能实现卡诺循环的热机造不出来，故它只是一个理沦温标。但可从理沦上证明，热力学温标与理想气体温标是完全一致的，因而可借助理想气体温度计来实现热力学温标。10.1温度的测量方法上一页下一页返回尽管理想气体是不存在的，然而氢、氦、氮等实在气体在压力较小的条件下，其性质很接近于理想气体。因而可利用这些气体来做气体温度计，并加以适当的修正，便可作为复制热力学温标使用。但是，这种气体温度计结构复杂，不宜实用。因此，人们考虑必须建立一种既符合热力学温标而在使用上又颇为简便的温标，即国际实用温标。4)国际实用温标(IPTS)国际实用温标是一种通用的国际协议性温标。目前国际上正式采用1990年根据第18届国际计量大会决议所制定的国际实用温标(IPTS－90)。它建立在热力学温标基础上，用大写字母T表示，其单位仍是开尔文(K)。它规定从绝对零度到K的三相(固、液、气)点温度之间均匀分为273.16格，每格为1开尔文(K)，它选择了这些纯物质的平衡态温度作为温标基准点(IPTS－90共选用了17个基准点)，由于以前的温标定义使用了与273.15(冰点)的差值来表示温度，10.1温度的测量方法上一页下一页返回因此现在仍保留这种方法，即IPTS-90中同时使用国际开尔文温度(符号为T90)和国际摄氏温度(符号为t90)，它们之间的关系为

T90＋t90=273.15式中，T90单位为开尔文(K)；t90单位为摄氏度(℃)。

10.1温度的测量方法上一页返回电阻式温度传感器的测量原理是根据导体或半导体的电阻随温度而变化的性质。在工业上广泛应用电阻温度计来测量-200℃～＋500℃的温度。尤其在低温测量方面，电阻温度计使用较多，在某些特殊情况下，电阻温度计测量的低温达1～3K(碳膜电阻温度计可测到1K左右)。另外，在高温1000℃～1200℃也有很好的特性。电阻温度计的特点是：测量准确度高；低温下(500℃以下)输出信号比热电偶大得多；输出电信号易于实现远距离传输和多点自动测量；与热电偶相比，不存在冷端补偿问题。常用的电阻式温度传感器有铂电阻、铜电阻和半导体陶瓷热敏电阻。1.铂电阻温度计铂电阻温度计由于准确度高、稳定性好，在－259.34℃～630.74℃温度范围可以铂电阻温度计为标准温度计。10.2电阻式温度传感器下一页返回铂电阻的电阻值与温度的关系，在－200℃～0℃范围为

Rt=R0[1＋At＋Bt2＋e(t一100)t3]在0℃～850℃范围为

Rt=R0(1＋At＋Bt2)式中，R0、Rt是温度为0℃及t℃时铂电阻的电阻值；A、B、C为常数，A=3.96847×10-3×1/℃，B=－5.847×10-7×l/℃，C=－4.22×10-12×1/℃。2.铜电阻温度计工业上除了铂电阻温度计应用很广泛外，铜电阻温度计的应用也很普遍。由于铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，电阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很高且温度较低的情况下，可考虑应用铜电阻。通常应用铜电阻测量－50℃～150℃范围的温度。10.2电阻式温度传感器上一页下一页返回铜电阻的缺点是铜的电阻率较小ρ=1.7×10－8Ω·m，所以要制造一定电阻值的铜电阻，其铜丝直径很细，长度很长，电阻体的体积较大。另外，铜容易被氧化，因此不宜在侵蚀性介质中使用。铜电阻的电阻温度函数表达式为

Rt=R0(1＋ɑt)式中，R0，Rt风为温度是0℃及t℃时铜电阻的电阻值；ɑ=(4.25～4.28)×10-3×l/℃。铜电阻的分度号为Cu50和Cu100。铜电阻体是直径约0.1mm的绝缘铜线采用无感双线法绕在圆柱形塑料支架上制成的。在铜电阻丝外面浸以酚醛树脂，起保护作用。用直径1mm的镀银铜丝作为引出线，并穿以绝缘导管。铜电阻和引出线都装在保护套管内。10.2电阻式温度传感器上一页下一页返回3.半导体陶瓷热敏电阻热敏电阻通常采用金属氧化物材料，利用特殊的陶瓷工艺，制成半导体陶瓷热敏电阻热敏电阻有以下3种。(1)正温度系数(PTC)热敏电阻。该种材料的电阻随温度敏感变化，并具有正温度系数，故称为PTC热敏半导体。(2)负温度系数(NTC)热敏电阻。该种材料的电阻随温度升高阻值下降，为负温度系数，称为NTC热敏电阻。(3)临界温度系数热敏电阻（CTR)。该种材料亦具有负温度系数，特点为在某个温度值上电阻值急剧变化。PTC和CTR热敏电阻主要用做温度开关。近年来，采用热敏电阻为感温件的半导体电阻温度计应用日益增多。其优点如下。10.2电阻式温度传感器上一页下一页返回①电阻温度系数大，绝对值比金属大4～9倍，而且有正或负的温度系数。②电阻率大，可以做成体积很小，而电阻很大的电阻体，由于电阻数值大，连接导线电阻变化的影响可忽略。③结构简单，体积小，可用来测量“点”的温度。④热惯性小，使用寿命长。其重要缺点如下。①性能稳定性较差，测温准确度低，误差较大。②互换性差，即同型号的热敏电阻的电阻温度特性分散性大。③电阻温度函数曲线非线性严重。因此，目前半导体陶瓷热敏电阻的应用受到一定的限制，大多用在要求不高的场合，测温范围一般为－50℃～＋300℃。10.2电阻式温度传感器上一页返回热电偶是目前工业上应用较为广泛的热电式传感器。热电偶是一种发电型的温敏元件，它将温度信号转换成电动势信号，配以测量电动势信号的仪表或变送器，便可以实现温度的测量或温度信号的变换。热电偶应用广泛的原因是因为它有以下特点。(1)热电偶的测温精度可达0.1℃～0.2℃，仅次于热电阻。由于热电偶具有良好的复现性和稳定性，所以国际实用温标中规定热电偶作为复现630.74℃～1064.43℃范围的标准仪表。(2)结构简单，制造极为方便(3)用途非常广泛，除了用来测量各种流体的温度外，还常用来测量固体表面的温度。热电偶的测温范围为－270℃～2800℃，热电偶可直接反映平均温度或温差。(4)动态特性好。由于热电偶的测量端可以制成很小的接点，响应速度快，其时间常数可达ms级甚至μs级。10.3热电偶下一页返回10.3.1热电偶的工作原理1.热电效应将两根性质不同的金属丝或合金丝A与B的两个端头焊接在一起，就构成了热电偶，如图10.1所示。A，B叫做热电偶丝，也叫热电极。在闭合回路旁放置一个小磁针，当热电偶两端的温度T=T0时，磁针不动；当T≠T0时，磁针就发生偏转，其偏转方向和热电偶两端温度的高低及两极的性质有关。上述现象说明，当热电偶两端温度T≠T0时，回路中产生了电流，这种电流称为热电流，其电动势称为热电动势，这种物理现象称为热电效应。放置在被测介质中的热电偶的一端，称为工作端，或称测量端。热电偶一般用于测量高温，所以工作端一般置于高温介质中，因而工作端也称热端；另外一端则称为参考端，也称自由端。热电偶测温时，参考端用来接测量仪表，如图10.2所示，其温度T0通常是环境温度，或某个恒定的温度(如50℃，0℃等)，它一般低于工作端温度，所以常称为冷端。10.3热电偶上一页下一页返回当自由端的温度T0保持一定时，热电动势的方向及大小仅与热电极的材料和工作端的温度有关，即热电动势是工作端温度T的函数，这便是热电偶测温的物理基础。热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。1)接触电动势导体中都存在自由电子，材料不同，自由电子浓度也不同。设导体A，B的自由电子浓度分别为和nA和nB，并且；nA>nB，如图10.3所示。当两导体接触后，自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散，结果界面附近导体A失去电子带正电，导体B得到电子带负电而形成电位差，当电子扩散达到动态平衡时，界面的接触电动势为10.3热电偶上一页下一页返回式中，k为玻耳兹曼常数，k=1.38×1023J/K；T为接触点处的绝对温度(K)；e为电子电荷，e=1.6x1019C。可以看出，当A，B材料相同(即；nA=nB)时，EAB=0。2)温差电动势在一根金属导体上，如果存在温度梯度，也会产生电动势。因为温度不同，自由电子的运动速度便不同。温度梯度的存在必然形成自由电子运动速度的梯度，电子从速度大的区域向速度小的区域扩散，造成电子分布不均，形成电势差，称为温差电动势。当A，B两种导体两端温度分别为T，T0时，其温差电动势分别为10.3热电偶上一页下一页返回式中，T，T0分别为高、低温端的绝对温度；σ为温差系数，它表示温差为一度时所产生的电动势值，与材料性质及导体两端的平均温度有关。通常规定，当电流方向与导体温度降低的方向一致时，σ取正值；当电流方向与导体温度升高的方向一致时，σ取负值。在图10.4所示的回路中，如果接点温度T>T0，回路的温差电动势等于导体温差电动势的代数和，即从热电现象的讨沦中知道，在图10.4所示的热电偶回路中，两电极接触处有接触电动势EAB(T)和EAB(T0)，A导体和B导体的两端之间有温差电动势EA(T，T0)和EB(T，T0)，如果T>T0，各电动势方向如图10.4所示。10.3热电偶上一页下一页返回由于回路中的接触电动势EAB(T)和EAB(T0)的方向相反，故回路的接触电动势为综上所述，当接点温度T>T0时，由热电极A，B组成的热电偶的总电动势等于回路中各电动势的代数和，用符号EAB(T，T0)来表示，即10.3热电偶上一页下一页返回式中，E(T)为热端的分热电动势；E(T0)为冷端的分热电动势可以得出以下结沦①如果热电偶两个电极的材料相同，则σA=σB，nA=nB，由此，无沦两端温差多大，热电偶回路中也不会产生热电动势。②如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T=T0，热电偶的闭合回路中也不产生热电动势。③如果热电偶两电极材料不同(材料分别为A，B)，且如果T0保持不变即E(T0)为常数，则回路热电动势只是热电偶热端温度T的函数，即

EAB(T，T0)=E(T)–C这表明，热电偶回路的总热电动势EAB(T，T0)与热端温度T有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式10.3热电偶上一页下一页返回2.热电偶的工作定律热电偶的工作定律是通过对热电偶的电阻、电流和电动势的关系的反复试验，在理沦上深人研究沦证而得出的使用规律1)均匀导体定律由单一的均匀金属构成的热电偶闭合回路，即满足(σA=σB，nA=nB)，无沦冷、热端的温差多大，也不会产生热电动势(见图10.5)。此定律可用于对热电偶电极丝材质的均匀性的检验。即将热电偶电极丝首尾相接，如图10.5所示，在任意位置加温，观测检流计的指针是否摆动。指针摆动，说明回路中有热电动势，该电极丝材质不均匀。2)中间导体定律用热电偶测量温度时，回路中总要接人仪表和连接导线，即插人第三种材料C，如图10.6所示。10.3热电偶上一页下一页返回假设图10.6中的3个接点的温度均为T0，回路的总热电动势为若A、B接点的温度为T,其余接点温度为T0，且T＞T0，则回路的总热电动势为得由此证明，在热电偶回路中插人测量仪表或插人第三种材料，只要插人材料的两端温度相同，则插人后对回路热电动势没有影响。10.3热电偶上一页下一页返回利用中间导体定律可以用第三种廉价导体将测量时的仪表和观测点延长至远离热端的位置，而不影响热电偶的热电动势值。3)中间温度定律任何两种均匀材料构成的热电偶，接点温度为T、T0时的热电动势等于此热电偶在节点温度为T，Tn和Tn，T0的热电动势的代数和，如图10.7所示，即式中，Tn称为中间温度。中间温度定律是制定热电偶的分度表的理沦基础。热电偶的分度表都是以冷端为0℃时做出的。而在工程测试中，冷端往往不是摄氏零度，这时就需要利用中间温度定律修正测量的结果。10.3热电偶上一页下一页返回10.3.2热电偶的常用类型和结构热电偶通常分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。1.标准化热电偶标准化热电偶是指制造工艺比较成熟，应用广泛，成批生产，性能优良而稳定，并已列人工业标准化元件中的那些热电偶。标准化热电偶具有统一的分度表，1975年国际电工委员会(IEC)向世界各国推荐7种标准化热电偶，如表10.2所列。此外，我国还有自行定型批量生产的热电偶。1)铂铑10－铂热电偶(S型热电偶)这是贵金属热电偶，可用于测量高温，长时间使用可达1300℃，短时间使用可达1600℃。它的物理、化学稳定性好，能在氧化性气氛中长期使用，但不能在还原性气氛及含有金属及非金属蒸汽气氛中使用，10.3热电偶上一页下一页返回除非外面加保护套管。这种热电偶的缺点是价格昂贵，热电动势小，热电动势率平均为9μV/℃，故需配灵敏度高的显示仪表。2)铂铑13－铂热电偶(R型热电偶)该热电偶与S型热电偶的特点相同，由于在正极铂铑合金中增加了铑的含量，它比S型热电偶的性能更加稳定，热电动势也较大。3)铂铑30－铂铑6热电偶(B型热电偶)这也是贵金属热电偶，使用温度比第一种更高，长期使用最高温度可达1600℃，短期使用可达1800℃。该热电偶与铂铑10－铂热电偶相比，提高了抗氧化能力和机械强度，热电特性更加稳定，但产生的热电动势更小。4)镍铬－镍硅(镍铝)热电偶(K型热电偶)这是一种应用非常广泛的廉价金属热电偶。长期使用的最高温度可达900℃，短期使用的最高温度可达1200℃。10.3热电偶上一页下一页返回该热电偶由于在热电极中含有大量镍，故在高温下抗氧化能力及抗腐蚀能力都很强。该热电偶的热电动势率比S型热电偶大4～5倍，而且热电动势与温度的关系近似直线。镍铬－镍铝热电偶与镍铬－镍硅热电偶的热电特性几乎完全一样，但镍铝合金在高温下易氧化，稳定性差，而镍硅合金在抗氧化和热电特性的稳定性方面都比镍铝合金要强，因此，我国已基本使用镍铬一镍硅热电偶取代了镍铬一镍铝热电偶。5)铜－康铜热电偶(T型热电偶)该热电极材料均匀性好，热电动势大，灵敏度高，线性度好，在－200℃～＋300℃范围，廉价金属热电偶中它的准确度最高。由于铜热电极极易被氧化，故一般在氧化性气氛中使用时不宜超过300℃。在低于－200℃以下使用时线性度差，灵敏度迅速下降，所以一般都用在－200℃以上。10.3热电偶上一页下一页返回6)镍铬－康铜热电偶(E型热电偶)E型热电偶的最大特点是在常用热电偶中其热电动势率最大，即灵敏度最高。在相同的温度下，其热电动势比K型热电偶几乎高一倍。该热电偶适宜在－250℃～＋870℃范围的氧化或惰性气体中使用。为了和国际标准一致，镍铬－康铜热电偶现已取代我国原标准中的镍铬－考铜热电偶。7)铁－康铜热电偶(J型热电偶)可用于氧化性和还原性气氛中，在高温下铁热电极极易被氧化，在具有氧化气氛中使用温度上限为750℃，但在还原性气氛中使用温度可达950℃。在低温下，铁电极极易变脆，性能不如T型热电偶。2.非标准化热电偶非标准化热电偶是指没有统一分度表的热电偶，虽然在使用范围和数量上均不及标准化热电偶，但在许多特殊工况下，10.3热电偶上一页下一页返回如高温、低温、超低温、高真空和有核辐射以及某些在线测试等，这些热电偶具有某些特别良好的性能。1)钨铼系热电偶钨铼热电偶是目前最耐高温的金属热电偶，最高温度可以使用到3000℃，是还原、真空、高温环境的主用热电偶，具有热电动势率高、灵敏度高、温度－电动势线性度好、热稳定性好、原材料丰富、价格便宜等特点。特别是高温耐氧化套管的开发应用，使得这种测温最高的廉价金属热电偶几乎可以覆盖所有的应用领域，在大多数场合都能取代贵金属热电偶，而且价格相对很低，具有很好的市场前景。现已标准化的钨铼热电偶有W5/26，W3/25和W5/20这3种分度号，均已成熟地应用于工业生产的各个领域，其中W5/26的用量相对较大。10.3热电偶上一页下一页返回值得注意的是，钨铼裸丝只能在真空、氢气、惰性气氛中使用，在300℃以上的氧化性气氛中会迅速被氧化，须采取保护措施才能使用。分度到1600℃的可使用到1800℃，分度到2000℃的可使用到2300℃。钨铼裸丝有φ0.5mm，φ0.4mm，φ0.25mm，φ0.1mm这4种，精度有1.0%t，0.5%t两种。2)铱铑系热电偶该类热电偶适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛中，特别是在氧化气氛中可测2000℃的高温。该类热电偶质地较脆。3)镍铬－金铁热电偶该热电偶是一种理想的低温热电偶，在温度为4K时也能保持大于10μV/℃的热电动势。10.3热电偶上一页下一页返回4)自然热电偶该类热电偶系指“刀具一工件”热电偶，主要用于切削温度的在线测量。图10.8所示为对车削温度在线测量时，刀具材料A与工件材料B形成了“自然热电偶”。其热电动势-温度曲线基本呈线性关系。在800℃工况时，其热电动势可达十余毫伏。5)非金属热电偶该类热电偶已有热解石墨热电偶等多种。其测温精度可达±（1～1.5)%，在氧化性气氛中可使用到1700℃左右。3.热电偶的结构1)普通热电偶普通热电偶由热电偶丝、绝缘套管、保护套管及接线盒等部分组成，如图10.9所示。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。普通热电偶在测量时将测量端插人被测对象的内部，主要用于测量容器或管道内的气体、液体等介质的温度。10.3热电偶上一页下一页返回2)铠装式热电偶把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中，运用同比例压缩延仲工艺将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装电偶体，再截取适当长度，将工作端焊接密封，配置接线盒，即成为柔软、细长的铠装热电偶。所以又称套管式热电偶。铠装热电偶的特点为：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。图10.10所示为铠装式热电偶工作端结构的几种形式3)片状薄膜热电偶用真空蒸镀等方法将两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成片状薄膜热电偶，如图10.11所示。由于热接点极薄(0.01～0.1μm)，因此特别适用于对壁面温度的快速测量。10.3热电偶上一页下一页返回安装时，用黏结剂将它黏结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁－镍、铁-康铜和铜－康铜3种，尺寸为60mm×6mm×0.2mm；绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下，反应时间仅为几毫秒。10.3.3热电偶的冷端温度补偿热电偶输出的热电动势是两结点温度差的函数。为了使输出的热电动势是被测温度的单一函数，通常要求冷端T0保持恒定。而热电偶分度表是以冷端等于0℃为条件的，因此，只有满足T0=0的条件，才能直接应用分度表。所以使用热电偶测温时，冷端若不是0℃，测温结果必然会有误差。一般情况下，只有在实验室才可能有保证0℃的条件。而通常的工程测温中，冷端温度大都处在室温或一个波动的温度区，这时要测出实际的温度，就必须采取修正或补偿措施。10.3热电偶上一页下一页返回1.冰点法这种方法是把热电偶的冷端直接放置在恒为0℃的恒温容器中，不需要考虑冷端温度补偿或修正为了获得0℃的温度条件，需专门设置冰点容器。一般是将纯净的水与冰混合，在一个大气压下冰水共存时，其温度即为0℃。冰点法是一种准确度较高的冷端处理方法，但使用起来比较麻烦，需要保持冰水两相共存，故仅适用于实验室。工业生产过程和现场测温使用极为不便。2.温度修正法在实际使用中，热电偶冷端保持0℃很不方便，但总可以保持在某一不变的温度下。10.3热电偶上一页下一页返回根据中间温度定律，有由上式可知，当冷端温度不是0℃，而是Tn时，热电偶输出的热电动势为EAB(T，Tn)，而不是EAB(T，T0)，故不能直接查分度表。还须加上EAB(Tn，T0)，才可以用分度表由EAB(T，T0)查得被测温度T的正确值。3.补偿导线实际应用时，为保持热电偶冷端温度T0的稳定，减小冷端温度变化产生的误差，需要将热电偶的冷端延仲到数十米外的仪器或控制器中去。根据中间导体定律，可以用第三种廉价导体将测量时的仪表和观测点延长至远离热端的位置，而不影响热电偶的热电动势值。这种补偿导线应选用直径大、热导率大的材料制作，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。同时，补偿导线的热电性能还应与电极丝相匹配。表10.3所列为补偿导线的分类型号和分度号。10.3热电偶上一页下一页返回补偿导线从原理上可分为延长型和补偿型。延长型的补偿导线其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶相同，因而热电动势也相同，在型号中以“X”表示；补偿型的补偿导线其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但在其工作温度范围内，热电动势与所配用热电偶的热电动势标称值相近，在型号中以“C”表示。按补偿精度分，补偿导线可分为普通级和精密级。精密级补偿后的误差大体上只有普通级的一半，通常用在测量精度要求较高的地方。如S，R分度号的补偿导线，精密级的允差为±2.5℃，普通级的允差为±5.0℃；K，N分度号的补偿导线，精密级的允差为±1.5℃，普通级的允差为士2.5℃。在型号中普通级的不标，精密级的加“S”表示。按工作温度分，补偿导线可分为一般用和耐热用两种。一般用补偿导线的工作温度为0℃～100℃(少数为0℃～70℃)；耐热用补偿导线的工作温度为0℃～200℃。10.3热电偶上一页下一页返回4.补偿系数修正法利用中间温度定律可以求出T0≠0时的热电动势。该法较精确，但烦琐。因此，工程上常用补偿系数修正法实现补偿。设冷端温度为T0，此时测得温度为T1，其实际温度应为

T=T1＋kT0式中，k为修正系数。k的取值如表10.4所列。5.补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值，补偿原理如图10.12所示。补偿电桥桥臂电阻R1，R2，R3和RCu.与热电偶冷端处于相同的环境温度下。其中R1=R2=R3，都是锰铜线绕电阻，电阻温度系数很小。RCu是铜导线绕制的补偿电阻。E为桥路电源，RS是限流电阻，其阻值取决于热电偶材料。10.3热电偶上一页下一页返回使用时，选择RCu的阻值使桥路在某一温度时处于平衡状态，此时电桥输出Uab=0。当冷端温度升高时，RCu随着增大，电桥失去平衡，Uab也随着增大，而热电偶的热电动势EAB却随着冷端温度升高而减小。如果Uab的增加量等于EAB的减小量，那么U(U=EAB＋Uab)的大小就不随冷端温度而变化。设计时，在0℃下使补偿电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响，并在0℃～40℃或－20℃～＋20℃的范围起补偿作用。10.3热电偶上一页返回数字温度传感器是内部包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路的传感器。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。数字温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化也取决于软件的开发水平。下面介绍数字温度传感器中的典型产品DS1820。DS1820是由美国DALLAS公司提供的一种单总线系统的数字温度传感器，它可提供二进制9位温度信息，分辨力为0.5℃，可在－55℃～＋125℃的范围测量温度。从中央处理器到DS1820仅需连接一条信号线和地线，其指令信息和数据信息都经过单总线接口与DS1820进行数据交换。DS1820完成读、写和温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，也可以由外部供给。并且，每个DS1820有唯一的系列号，因此同一条单总线上可以挂接多个DS1820，10.4数字温度传感器下一页返回构成主从结构的多点测温传感器网络。此特性可普遍应用在包括环境监测、建筑物和设备内的温度场测量，以及过程监视和控制中的温度检测中。图10.13所示为DS1820的引脚排列，图10.14所示为DS1820的主要部件的原理框图。它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM)，用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余检验码(CRC)发生器等7部分。1.寄生电源DS1820可以采用寄生电源供电，也可用外部5V电源供电。在未知供电方式的情况下，总线主机可通过发出读电源的指令得知器件以何种方式供电。10.4数字温度传感器上一页下一页返回寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时，电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源有两个优点：一是检测远程温度时无须本地电源；二是缺少正常电源时也能读取ROM若采用外部电源，则通过二极管向器件供电。2.64位激光ROM每个DS1820的64位ROM中都保存着该DS1820的产品信息和产品系列编码，ROM结构如图10.15所示。其中，前8位为后56位的检验码，其等效多项式为单总线上所有DS1820器件可以通过检索器件的ROM中的内容进行识别。64位ROM编码和ROM操作指令是DS1820作为一个单总线器件正常工作的基础，只有当ROM操作指令被满足后，10.4数字温度传感器上一页下一页返回才可继续访问DS1820控制部分的功能。主机操作ROM的命令有5种，如表10.5所列。3.高速暂存器RAMDS1820存储器结构如图10.16所示，存储器由一个高速暂存(便携式)RAM和一个非易失性的电可擦除RAM(E2RAM)组成。所有RAM中的数据会在每一次上电复位时刷新。而非易失性的E2RAM中存储的高温度和低温度报警触发器TH和TL的备份将不会丢失。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM便笺式RAM占9B，包括温度信息(第1、第2字节)、TH和TL值(第3、第4字节)、计数寄存器(第7，第8字节)、CRC(第9字节)等，第5、第6字节不用。暂存器的命令共6条，如表10.6所列。10.4数字温度传感器上一页下一页返回4.测温原理DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。经过单总线接口访问DS1820的协议处理顺序为：初始化单总线系统；执行某种ROM操作指令；执行存储器操作指令；处理数据。具体处理过程如下。(1)初始化单总线系统。单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲(不小于480μs的低电平脉冲)，然后释放总线，总线被5kΩ上拉电阻拉高，接着由从机向总线发送存在脉冲(60～240μs的低电平脉冲)，表示从机存在于总线上。总线主机检测到存在脉冲后表示初始化过程成功。(2)执行ROM操作指令。ROM操作指令包括读ROM、比较ROM，跳过ROM和搜索ROM及报警搜索。一旦总线主机检测到从机的存在，主机就可以发出ROM操作指令。10.4数字温度传感器上一页下一页返回(3)执行存储器控制指令。存储器控制指令包括温度变换、读存储器、写暂存存储器、复制暂存存储器、重新调出E2RAM及读电源状态。用户可以根据应用的需要执行相应的存储器指令，完成温度转换操作、读/写存储器操作等。从而完成温度测量并从DS1820获得测量结果。(4)用户根据自己的需要进行数据处理，如通过计算获得较高的温度分辨力或进行温度测量控制工作。DS1820使用了单片(on-hoard)温度测量专利技术来测量温度。温度值的产生是通过对温敏振荡器进行计数获得的。温度测量电路的原理如图10.17所示。DS1820测温系统的工作原理如下。DS1820内含两个温度系数不同的温敏振荡器，其中温敏振荡器1相当于测温元件，温敏振荡器2相当于标尺，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值，10.4数字温度传感器上一页下一页返回根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。其具体测温过程如下：首先由预置器2将温度寄存器预置为对应于温度下限(－55℃)的值。然后，由预置器1对计数器1也预置一个对应于温度下限(－55℃)的计数值，计数器1接收温敏振荡器1的输出信号，并进行减法运算。计数器2接收温敏振荡器2的输出信号得到实际温度值并送给温度寄存器作为比较的标尺。如果计数器1首先递减到0，那么将向温度寄存器输出一个信号，温度寄存器的值将增加一位，对应温度值增加0.5℃，说明实测温度高于－55℃。随后，斜率累加器根据两个温敏振荡器的温度特性曲线计算出下一个温度位置处计数器1的预置计数值，对计数器1再次进行预置。计数器1和计数器2再次开始计数。如果计数器1仍先于计数器2到达0，则重复执行上面给出的步骤，直至计数器2先于计数器1达到0，完成一次测温。温度寄存器中的值为测量所得的当前温度值。通过这个过程不仅完成了测温，而且还完成温度值的数字化，省去了A/D转换器。10.4数字温度传感器上一页下一页返回在DS1820中，温度是以两字节的格式表示的，其中最高有效位为1字节，它为全0或全1，表示温度在0℃以上还是0℃以下。最低有效位也为1字节，表示不同的温度值。温度与数据的对应关系如表10.7所列。还可以通过读出计数器1中的剩余值和计数器1的预置值来获得较高的分辨力。公式如下：温度=温度寄存器对应的温度值－0.75＋(计数器1的预置值－计数器1中的剩余值)10.4数字温度传感器上一页返回机床是工作母机，机床的温升和热变形直接影响加工精度。机床的温升和热变形是由各种热源引起的。工艺系统的热源可以分为两大类，即内部热源和外部热源。其中内部热源包括机床的传动件(如电动机、轴承、na轮副、离合器、导轨副和液压系统等)运转时所产生的“摩擦热”和机床加工工件过程中所产生的“切削热”；外部热源包括环境温度(如气温、冷热风气流、地基温度等)的变化和各种热辐射(如阳光、照明灯、暖气设备、人体等)的影响。但热源的热量本身并不直接产生变形，只有当热源的热量通过热传导、对流和辐射等传热方式(在机床上，传热的主要方式是热传导)向外传热，使机床各部件产生温升，形成温度差以后，才会出现热变形现象。机床在内、外热源影响下，各部分的温度将发生变化。由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床上各部分的温度不是一个恒定的数值，在一般情况下，温度是时间和空间的函数。10.5机床的温度和热变形测试下一页返回可表示为T=f(x，y，z，t)这种随时间而变的温度场，称为不稳定温度场。如果机床上各点的温度都不随时间而变，则此温度场称为稳定温度场。可表示为

T=f(x，y，z)机床上一般为不稳定温度场。机床热变形的影响，主要有这样几个方面：由于机床各热源的分布及其所产生的热量都是不均匀的，因此机床各个零部件的温升和热膨胀也就不均匀，从而改变了各运动部件的相对位置及其位移的轨迹，因此，影响加工精度；改变滑移面的间隙，降低油膜的承载能力，恶化机床的工作条件；由于工件升温与测量工具的温度不同，影响了测量精度。热变形对自动机床和自动线以及高精度机床的影响更为严重。10.5机床的温度和热变形测试上一页下一页返回1.机床的热变形弯曲量不均匀的温度场将引起热变形，现以床身为例，如图10.18所示，说明其变形量。假定床身沿纵长L方向的温度是均匀的，而上、下部的温度不均匀，成线性分布。温升前，该件形状如图10.18中粗实线所示。温升后，床身顶部温度高于底部(T1>T2)，变形后的形状如图10.18细实线所示。伸长虽很小，可以近似地认为式中，△L为纵向热膨胀量。故10.5机床的温度和热变形测试上一页下一页返回所以，热变形弯曲量为因△L=L×a×△T式中，△T为温升(℃)；a为线胀系数(℃－1)上述计算中，假设床身为等断面均匀平板件。由于床身实际形状变化较大，床身在主轴箱下部和导轨处的温度分布不同，主轴箱体也有热变形，因此，主轴中心经与床身导轨间热变形量很难用计算法求出，一般采取实验的方法测量。10.5机床的温度和热变形测试上一页下一页返回2.车床主轴箱空运转条件下热变形和温度场车床主轴箱空运转条件下，车床会产生温升。这时，主轴中心线在空间的位置产生位移变化。其主要原因如下(1)主轴前后轴承的发热量不同，前端箱壁的热膨胀量大于后端的热膨胀量，使主轴中心线在垂直面内，以主轴箱垂直方向的定位面为基准，倾斜地向上升高。在水平面内以主轴箱侧向定位面为基准，向前偏移。(2)主轴箱内润滑油吸收了传动件运转时的摩擦热量，并经飞溅搅拌后，形成一个热源，通过箱体底部传给床身，床身受热后变形，产生翘曲，使主轴箱在床身上的垂直方向定位基面和侧向定位基面的位置发生改变，如图10.19所示。本实验是采用相对测量法，测量主轴中心线相对于床身导轨的综合变形量。10.5机