现代检测技术6温度检测技术

1、上一页,下一页,返 回,第 6章 温度检测技术,6.1 温标与标定,6.2 测温方法分类及其特点,6.3 热膨胀式测温方法,6.4 热阻式测温方法,6.5 热电式测温方法,6.6 辐射法测温,6.7 新型温度传感器及其测温技术,上一页,下一页,返 回,6.1 温标与标定,6.1.1 温标,温度是表征物体或系统冷热程度的物理量，是物体内部分子无规则运动剧烈程度的标志。,温标是衡量温度高低的尺度。,温标有经验温标（华氏温标、摄氏温标）、热力学温标和绝对气体温标。,1、经验温标,根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。,上一页,下一页,返 回,（1）华氏温标

2、,华氏温标是把水、冰、盐混合物所形成的温度规定为0度、健康人的体温定为100度。,按照这一规定，纯水的冰点温度为32华氏度，水的沸点定为212华氏度，把水银温度计从0度到100度按照水银的体积膨胀距离分为100份，每份为华氏度,华氏温标的单位符号是OF。,（2）摄氏温标,摄氏温标规定水的冰点为0度、沸点为100度，其间分100等分，每一等分为一度。,摄氏温标的单位符号是。,T（OF）=32+9t（OC）/5,上一页,下一页,返 回,2、热力学温标,热力学温标规定水的三相点为273.16度、沸点为373.16度，其间分100等分，每一等分为一度。,热力学温标的单位符号是K。,3、绝对气体温标,从

3、理想气体状态方程入手，复现的热力学温标称为绝对气体温标。,PV=RT,T2/T1=P2/P1 （V一定）,若选用同一固定点（水的三相点）作参考点，热力学温标和气体绝对温标在数值上是相同的。,上一页,下一页,返 回,4、国际实用温标和国际温标,国际实用温标是经国际协议产生的。,第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会上决定采用的国际实用温标（IPTS-68）。,1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS-90。其主要内容是：,（1）重申国际实用温标单位仍为K，1K等于水的三相点是温度值的1/273.16。,（2）把水的三相点时温度值定义为0.01，同时相应地把绝对

4、零度修订为-273.15，因此有,t90()=T90(K)-273.15,使用时通常将角标90去掉。,上一页,下一页,返 回,温度计的标定方法有标准值法和标准表法。,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作标准值；,把被标定的温度计（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）；,利用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。,6.1.2 标定,标定后的温度计可作为标准温度计使用。,上一页,下一页,返 回,标准表法是把被标定的温度计（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，

5、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，即可把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正值，完成对被标定温度计的标定。,上一页,下一页,返 回,温度的测量方法分为接触法测温和非接触法测温两大类。,接触法测温是将测温敏感元件直接与被测介质接触，被测介质与温度敏感元件进行充分的热交换（主要是通过导热和对流），最后达到热平衡，温度计的示值就是被测对象的温度。,根据测温转换的原理，接触式测温可分为膨胀式、热阻式、热电式等。,接触式测温的缺点是测温仪表容易影响被测温场的分布，带来误差；对有些介质（如高

6、温或有腐蚀性介质），应用接触法测温会缩短测温元件的使用寿命。,6.2 测温方法分类及其特点,上一页,下一页,返 回,非接触法测温是测温敏感元件不直接与被测对象接触，通过辐射和对流实现热交换而达到测温的目的。,非接触法测温的优点是不破坏原有温场，并且便于对运动物体测量或采用扫描的方法测出温场的分布。,上一页,下一页,返 回,热膨胀式测温方法是利用物体受热后体积膨胀的原理设计的温度计。,按膨胀基体可分为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。,玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。,玻璃温度计最常用的液体是水银（汞），其凝点是-38.9，测温上限为538

7、。,6.3 热膨胀式测温方法,6.3.1 玻璃温度计,玻璃温度计又分为全浸式和局浸式两大类。,上一页,下一页,返 回,压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸气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来实现测温功能的。,压力温度计由充有感温介质的温包、传递压力的毛细管、压力敏感元件的弹簧管以及机械传动机构、指针、刻度盘等部分组成。,6.3.2 压力温度计,上一页,下一页,返 回,测温时，将温包置于被测介质中，,感温介质的体积膨胀或收缩造成压力的增减，,压力经毛细管传给弹簧管，弹簧管产生变形，,通过传动机构带动指针偏转，指示出相应的温度。,常用于汽车、拖拉机等的油、水系统的温度测量。

8、,固体长度与温度的关系是,6.3.3 双金属温度计,双金属温度计是将两片线膨胀系数相对差异很大的金属片叠焊在一起构成。,上一页,下一页,返 回,在一端固定的情况下，如果温度升高，下面线膨胀系数较大的金属片B因热膨胀而伸长；,上面线膨胀系数较小的金属片A却几乎不变；,致使双金属片向上翘。温度越高，产生的线膨胀差别越大，引起的弯曲角度也越大。,采用不同的双金属材料，其测温范围就不同。,双金属温度计不仅可用于测量温度，还可方便地用作简单的温度控制装置。,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。,上一页,下一页,返 回,热阻式测温是利用金属导体或半导体的电阻随温度变化的特性将

9、电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。,常用热电阻有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。,铂金属的主要优点是物理化学性能极为稳定，且有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。,1、概述,6.4 热阻式测温方法,6.4.1 铂电阻测温,热电阻经电桥电路转换成电信号。,上一页,下一页,返 回,在-2000的范围内：,Rt=R01+At+Bt2+C(t-100 )t3,在0850的范围内：,Rt=R0(1+At+Bt 2),A常数，为3.9684710-3 /；,B常数，为-5. 84710-7 /2；,C常数，为-4.2210-12 /4。,它的缺点是电阻温度系数较小，且价格较

10、贵。,上一页,下一页,返 回,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关。通常用百度电阻比W（100）表示铂的纯度，,W(100)=R100/R0,R00 时的电阻值； R100100 时的电阻值。,国内统一设计的工业用标准铂电阻其百度电阻比W（100）1.391。其中R0分为10（Pt10）和100（Pt100）两种。,上一页,下一页,返 回,2、热电阻的结构,热电阻主要由电阻体、内引线、保护管、绝缘管和接线盒等组成。,3、热电阻的引线形式,（1）两线制,在热电阻感温元件的两端各连一根导线的形式。,优点：配线简单，安装费用低；,缺点：引线及外接导线的电阻带来附加误差。,电阻体是由电阻丝在绝缘骨架上绕制而

11、成。,常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。,上一页,下一页,返 回,（2）三线制,在热电阻感温元件的一端连接两根引线、另一端连接一根引线。,接入电桥时，内引线和外接导线的电阻位于电桥相邻两臂上，可以消除引线电阻的影响。,（3）四线制,在热电阻感温元件的两端各连接两根引线。,这种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，还可以通过开关的切换，改变热电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。,两线制接线电路图,三线制接线电路图,上一页,下一页,返 回,1、铜电阻,铜电阻的优点是温度系数比较大，易于提纯，价格便宜。,铜电阻的缺点是易于氧化，不适于在腐蚀性介质或高温下工作，电阻率小，机械强度差

12、等。,铜热电阻的使用范围是-50150。,6.4.2 铜电阻和热敏电阻测温,在-50150的范围内：,Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3),铜电阻的W(100)1.425。R0取50（Cu50）和100（Cu100）两种。,2、半导体热敏电阻,热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。,按电阻与温度的特性，可分为：,负温度系数热敏电阻（NTC）；,正温度系数热敏电阻（PTC）；,临界温度系数热敏电阻（CTR）。,PTC型和CTR型热敏电阻在一定温度范围内，阻值随温度的变化而剧烈变化，因此适合于制造位式作用的温度传感器。,NTC型热敏电阻在一定温度范围内，阻值将随温度的升高而减小，适合制造连续作用

13、的温度传感器。,上一页,下一页,返 回,（1）热敏电阻的优点：,电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍。,结构简单，体积小，可以测量点温度。,电阻率高，热惯性小，适合动态测量。,标称电阻有几欧到十几兆欧之间的不同型号和规格，能很好地与各种电路匹配，远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响。,（2）热敏电阻的主要缺点：,阻值与温度的关系为非线性；,元件的一致性差，互换性差；,元件容易老化，稳定性差；,上一页,下一页,返 回,基于热电效应原理工作的传感器称为热电偶传感器，简称热电偶。,1、热电效应,若两种不同导体A和B的两个连接点处于不同的温度时，回路中就会产生电动势（称为热电势）的现象称为热

14、电效应。用EAB（T，T0）表示。,这两种不同金属的组合称为热电偶，导体A和B称为热电极。,6.5 热电式测温方法,6.5.1 热电偶测温,温度高的接点称为热端（或称工作端），而温度低的接点称为冷端（或称自由端）。,上一页,下一页,返 回,7、热电偶的结构,热电偶是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等部分组成。,与热电阻的结构相类似。,上一页,下一页,返 回,热电偶的特点是：结构简单；所选择的两根导线材质适当时可测高达1000以上的高温；尺寸小，可用来测量小空间的温度；动态响应快；电动势信号便于传送。,2、热电偶的基本原理,热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成。,接触电势是当

15、两种不同的金属A和B紧密连接，并处于温度为T的环境中，由于两种金属导体内自由电子密度不同，在连接点处就会发生电子扩散现象，其过程与PN结的形成过程一样，在A、B两金属接触面形成一个稳定的电位差。其表达式为,上一页,下一页,返 回,e电子电荷电量，e=1.610-19 C；,k玻尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K；,NA(T) 、NB(T)材料A、B在温度T时的自由电子密度。,接触电势的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度，而与金属的形状及尺寸无关。,温差电势是当一种金属的两端温度不同时，导体内高温端自由电子的动能比低端自由电子的动能大。高温端自由电子的扩散速度比低温端自由电子的扩

16、散速率大，使得高温端因失去一些电子而带正电、低温端因得到电子而带负电，从而两端形成一定的电位差。,上一页,下一页,返 回,A是汤姆逊系数，大小与金属材质有关。,在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势为,上一页,下一页,返 回,如果其中一个温度（如T0）为常数时，,当热电偶回路的一个端点保持温度不变，则热电偶回路总的热电势只是另一端温度的单值函数。,对于确定的热电偶和确定的冷端温度，可通过测量得到的回路总的热电势，确定工作端的温度。,必须由两种不同材质构成热电偶。,热电偶A、B两连接点的温度相等，回路总电势为零。,热电偶A、B的热电势只与连接点温度有关，与材料

17、A、B的中间各处温度无关。,上一页,下一页,返 回,3、热电偶基本定律,（1）中间导体定律,在由导体A、B组成的热电偶中接入第三导体C时，只要保持第三导体两端温度相等，接入导体后回路总电动势不变。,在回路中引入各种仪表和连接导线，只要保证两接点温度一致，就可以对热电动势进行测量，而不影响热电偶的输出。,（2）标准电极定律,当温度为T、T0时，由导体A、B组成的热电偶的热电势等于由导体A、C组成的热电偶的热电势和由导体C、B组成的热电偶的热电势的代数和，即,上一页,下一页,返 回,EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0),导体C称为标准电极，一般为纯铂。,只要知道一些材料与标准

18、热电极相配的热电动势，就可以用此定律求出任何两种材料配成热电偶的热电动势。,（3）中间温度定律,在热电偶回路中，两结点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在结点温度为T、T1和T1、T0时热电势的代数和，即,EAB(T,T0)=EAB(T,T1)+EAB(T1,T0),上一页,下一页,返 回,根据这一定律，只要给出自由端为0时的热电势和温度的关系，就可以求出两结点在任意温度时的热电势，即,EAB(t,t1)=EAB(t,0)+EAB(0,t1),4、热电偶测温原理和方法,如果热电偶两个电极的材料确定后，热电偶的热电势就只与热电偶两端温度有关。,如果使参考端温度T0恒定不变，则对给定材料的热电偶

19、，其热电势就只与工作端温度T成单值函数关系，即,EAB(T,T0)=f(T),上一页,下一页,返 回,5、热电偶参比端的处理,（1）0恒温法,把热电偶的参比端直接放在环境温度为0的容器中。,一般是在一个大气压下，把纯净水和冰混合，其混合物温度即为0。,适合于实验室中使用，不适合于工业现场中使用。,（2）计算修正法,将参比端温度保持在某一恒定不变的温度tH，根据中间温度定律，将测到的热电势EAB(t，tH)换算到参比端t0=0时的热电势EAB(t，t0)，即,EAB(t，t0)=EAB(t，tH)+EAB(tH，t0),上一页,下一页,返 回,（4）冷端的延伸,工业测温时，被测点与指示仪表之间往

20、往有很长的距离；,为了避免冷端温度受被测点温度变化的影响，也需要使热电偶的冷端远离工作端。,热电偶材料昂贵，热电偶尺寸不易过长。,用一种专用导线（称为补偿导线）将热电偶的冷端延伸出来。,但应注意：,补偿导线的热电特性在一定范围内与所配用的热电偶的热电特性相同。,上一页,下一页,返 回,补偿导线与热电偶的两个连接点的温度必须相同，且不得超过规定的范围。,补偿导线的正负极以其绝缘层的颜色来区分。在使用时，一定要使补偿导线与热电偶的同性电极相接，切不可接反。,不同的热电偶要求配用不同的冷端温度补偿导线。,6、热电偶常用测温线路,（1）测量某点温度的基本电路,A,A、B为热电偶；,B,C、D为补偿线；

21、,C,D,t0为使用补偿线后冷端温度；,t0,t0,补偿线一直延伸到配用仪表的接线端子。,用镍铬-镍硅热电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电电势为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15，试求该时刻温箱的温度是多少度？,由型分度表查得E（15，0）060mv）（1） E（t，0）E（t，ti）E（t0，0） （-1.19mv0.60）mv-0.59mv （2） 再查型分度表，由-0.59mv查得实际炉温-5。（3）,上一页,下一页,返 回,AD590是一种电流型温度变换器，以电流作为输出量指示温度。,它是二端器件，使用非常方便。,它是一种高阻

22、电流源，不需要考虑传输线上电压信号损失和噪声干扰问题，特别适合做远距离测量或控制应用。,也特别适用多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引入的附加电阻造成的误差。,6.5.2 集成温度传感器AD590,温度的变化引起电流的变化，通过调整可变电阻RW，使输出UT=1mV/K。,上一页,下一页,返 回,物体受热激励了原子中带电粒子，使一部分热能以电磁波的形式向空间传播，传播的能量称为热辐射。,能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，称为辐射式温度计。,辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.340m。,如果某一物体在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的

23、任何辐射能量，则称此物体为绝对黑体。,6.6 辐射法测温,6.6.1 辐射测温的基本原理,对辐射能的吸收（辐射）不仅与温度有关，而且还与波长有关的物体称为选择吸收体。,上一页,下一页,返 回,吸收辐射能的本领只与波长有关的物体称为灰体。,绝对黑体吸收系数L0=1，反射系数0=0。,具有最大吸收本领的物体，在其受热后也将具有最大的辐射本领。,绝对黑体在任意温度向外辐射的辐射出射度（也称辐出度）最大。,其他物体的辐出度总是小于绝对黑体的。,在同一温度T，某一物体在全波长范围的积分辐出度M（T）与绝对黑体在全波长范围的积分辐出度M0（T）之比，称为该物体的全辐射率（或称全辐射系数）(T)，其值在01

24、之间。,上一页,下一页,返 回,在任一温度T和某个波长下，物体的辐出度M(,T)与黑体在此波长的辐出度M0(,T)之比称为光谱发射率或光谱发射系数，用(,T )表示。,反射系数,透射系数,反射系数和透射系数不全为零的物体称为非黑体。,绝对黑体的光谱辐射亮度为,称为普朗克定律。,c1=3.741810-16Wm2；c2=1.43878610-2mK。,上一页,下一页,返 回,当c2/(T)1时，,由黑体的光谱辐射曲线图看出：,每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动；,不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长m和温度T均满足维恩位移定律。,称为维恩公式。,若能测出波长m

25、，就可得到黑体的温度T。,上一页,下一页,返 回,实验和理论分析表明，黑体的总辐射能为,=5.6703210-8W/m2K4,上一页,下一页,返 回,光谱辐射温度计有光学高温计、光电高温计、硅辐射温度计等。,1、光学高温计,测温范围：1000K3500K；,精度为1.0级和1.5级。,6.6.2 光谱辐射温度计,亮度温度：在波长为、温度为T时，某物体的辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0相等，则称TL这这个物体在波长为时的亮度温度。,上一页,下一页,返 回,光学高温计通常采用0.660.01m的单一波长。,光学高温计有灯丝隐灭式光学高温计、恒定亮度式光学高温计和光电亮度式光学高温计。,上

26、一页,下一页,返 回,灯丝隐灭式光学高温计是由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度的测量。,此种高温计又称为目视光学高温计或简称光学高温计。,调节物镜1使物体的像落在灯泡3内的灯丝平面上。,调节目镜4使灯丝和物体的像能清晰地看到。,逐渐调节滑动电位器，使灯丝亮度和背景亮度达到一致，灯丝便隐没在背景中。,表头6便指示出被测物体的亮度温度。,上一页,下一页,返 回,灰色吸收玻璃2的作用是扩大光学高温计的量程。,用于测量1400以上的高温。,当灯丝亮度温度超过1400时，由于灯丝过热发生氧化进而使灯丝的电阻发生变化，致使

27、电流与亮度温度的关系偏离原标定值；,1400以上的高温，使灯泡的金属丝要升华，将在玻璃泡上沉积形成灰暗的薄膜，改变原亮度特性而带来测量误差。,光学高温计有两个刻度：一个是不加灰色吸收玻璃的刻度；另一个是加灰色玻璃的刻度。,红色滤光片5的作用是滤除人眼不敏感的光谱段，仅让中心光谱波长为=0.66m的窄波段通过。,上一页,下一页,返 回,2、光电高温计,光电高温计是采用硅光电池作为仪表的光敏元件，代替人眼睛感受被测物体辐射亮度的变化，并将此亮度信号按比例转换成电信号，经滤波放大后送检测系统进行后续处理，最后显示被测物体的亮度温度。,被测物体17辐射的辐射能由物镜1聚集、经光阑2和遮光板6上的孔3、

28、透过装于板6上的红色滤光片，照射到硅光电池4上；,反馈灯15发出的辐射能通过遮光板上的孔5和红色滤光片也照射到硅光电池4上。,在遮光板6的前面装有每秒振动50次的光调制器7，它交替地打开和遮住孔3和孔5。,上一页,下一页,返 回,被测物体的辐射能和反馈灯的辐射能交替地照射到硅光电池4上。,当两个能量不相等时，硅光电池将产生一个与两个辐射亮度差成正比的脉冲光电流，经前置放大13放大、再经主放大器14进一步放大后，输出电流驱动反馈灯15。,反馈灯15的辐射能随驱动电流的改变而相应变化。,直到被测物体和反馈灯照射到硅光电池上的辐射能相等为止。,这时硅光电池4产生的脉冲电流为0，流经反馈灯的电流经电阻

29、转换成电压后由电位差计16自动指示和记录被测物体的亮度温度。,上一页,下一页,返 回,透镜10、反射镜11和观察孔12组成人工观察瞄准系统，其作用是使光电高温计对准被测物体。,3、辐射温度计,由于硅光电池和反馈灯等光电器件的特性离散性大，所以光电器件的互换性差，因此在使用、维修时若要更换光电器件，就必须对整个仪表重新进行调整和标定（刻度）。,辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作的。,它通常由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助装置等几部分组成。,辐射温度计是按绝对黑体进行测试分度的，称为被测物体的辐射温度。,上一页,下一页,返 回,辐射温度：某物体温度为T时的总辐射能与温度为TF的绝对黑体的总辐射能相等，则