机械工程测试技术基础 第十讲温度检测.ppt

1、第十讲 温度测量,学习目的与要求 了解测量温度的方法，理解各种测量温度传感器的基本原理，了解各种传感器的组成、分类、特点及标定方法。 重点是热电偶、电阻式温度传感器。,第10章 温度传感器,本章要点 金属热电阻、热敏电阻 金属热电阻和热敏电阻的温度特性及应用； 热电偶 热电偶的热电效应、热电偶的结构和种类，热电偶测量电路； 其它温度传感器 1.非接触式 2.半导体式,温度是物理现象中具有代表性的物理量 现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。,概述,现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，,精确的烟草烘干,木材烘干,温度检测

2、的基本知识,温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的， 温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则 它们具有相同的温度。 测量方法：接触式测温和非接触式测温,接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 (1) 膨胀式温度计 (2) 热电阻温度计 (3) 热电偶温度计 (4) 其他原理的温度计,直观、可靠，测量仪表也比较简单,特点,非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 (1) 辐射式

3、温度计 (2) 光纤式温度计：,特点,不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。,热膨胀温度传感器: 有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用广泛； 半导体温度传感器: 家电、汽车上使用的，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大； 金属、红外温度传感器: 工业上使用的，性能价格差别比较大，因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比较昂贵。,概述 各种热电阻,各种热电偶,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,基于1-WIRE总线的DB18B20型智能温度传感器,DB18B20引脚,电流输出型典型集成温度传感器有AD5

4、90（美国AD公司生产），国内同类产品SG590。 器件电源电压430V， 测温范围-50+150。,温 标,摄氏温标 -是把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度的一种温标。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为。 华氏温标 -规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为。,热力学温标 K -又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。,国际实用温标 -是一种符合热力学温标又使用简单的温标。,最新温标是1990年国际温标 (ITS90):热力学温度（T）是基本物理量，单位为开尔文，定义为水三相点的热

5、力学温度的1/273.16 国际开尔文温度T90和国际摄氏温度t90 t90 /= T90 / K 273.15,我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90） 定义国际开尔文温度（T90） 国际摄氏温度（t90）； T90 ：单位（K）开尔文 t90 ：单位（）摄氏 两者关系为： t90/ = T90/ K 273.15 或 t/ = T/ K 273.15,应用热膨胀原理测温,测量原理,物体受热时产生膨胀,液体膨胀式温度计,固体膨胀式温度计,玻璃管温度计,双金属温度计,双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计。其结构简单、牢固，可将温度变化转换成

6、机械量变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是开关的“通断”控制），使用范围相当广泛。,双金属温度计,双金属温度计的工作原理,如图所示, 将其一端固定, 如果温度升高, 下面的金属B（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属A（例如因瓦合金）却几乎不变，致使双金属偏向上翘。温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲越大。,双金属温度计的结构,它的感温元件通常绕成螺旋型，一端固定，另一端连接指针轴。温度变化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上显示出温度的变化。,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现

7、出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,10.1 金属热电阻,金属热电阻一般用于-200+600温度测量；,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,热电阻测温原理,导体或半导体的电阻值随温度变化,测量原理,不同热电阻阻值与温度变化之间的关系不完全相同。 例，铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：,-200O,+0850,式中：,为0C时电阻，其值是,在0630.74范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为,在-50180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为,温度0时的

8、电阻值,温度t时的电阻值,铂测温电阻元件的电阻的温度特性,常用热电阻,铂电阻,电阻率较大，电阻-温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好,工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10,铜电阻,电阻值与温度的关系几乎呈线性，电阻温度系数也较大，而且其材料易提纯，价格比较便宜，但缺点是在100以上易被氧化,工业用铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100,热电阻的主要技术性能,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,热电阻温度计,应用于-200600范围内的温度测量,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测

9、量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。,热电阻结构,电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制。,带保护管的铂测温结构示意图,热电阻结构,薄膜型及普通型铂热电阻,小型铂热电阻,防爆型铂热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,铂热电阻分度表,铂电阻温度显示、变送器,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械 设定开关,拨码式 设定开关,近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。 热敏电阻用半导体材料

10、氧化复合烧结而成 主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物,热敏电阻符号,10.2 热敏电阻,测温机理,陶瓷半导体材料的导电性取决于电子空穴的浓度。 在低温下，电子空穴的浓度很低，故电阻率很大，随着温度的升高，电子空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小，其阻值特性为：,R0为温度为20 时的电阻值（）； RT为温度为T 时的电阻值（）； T热力学温度（K）； B热敏电阻常数（热敏材料与工艺有关, e 值为30004000K ）,热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分，其特性曲线是非线性的。,式中，R温度T时探头的电阻值； R0参考温度T=273.15K时的电阻值； 材

11、料系数，e 值为30004000K,电阻温度系数,NTC又可分为两大类： 第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号 1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4紫铜外壳 5传热安装孔,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,其他形式的热敏电

12、阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）,非标热敏电阻,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,由于热敏电阻与温度呈较强的非线性，使得它的测温范围和精度受到一定限制。 一般利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。 热敏电阻测量的方法常用电桥法。,第8章 温度传感器,热敏电阻的应用,右图是一恒温电路，A为比较器，当环境温度达到T时，输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有RP、R1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较

13、电平，从而调节所需控制温度。,热敏电阻的恒温控制电路,第8章 温度传感器,近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。,热敏电阻用于电热水器的温度控制,热敏电阻体温表,热敏电阻体温表的调试、标定方法,热敏电阻用于CPU的温度测量,（参考小熊在线公司资料）,小结：热敏电阻特点,灵敏度高：比一般的金属大10100倍。 热惯性小，动态测量。 结构简单，体积小。 多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。热敏电阻温度上限约400 。 热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此，一般不在

14、石油、钢铁、制造业上使用。,10.3 热电偶温度传感器 Thermoelectric Couple Sensors,科学家发现：,！两端温度不同的导体会产生电动势 ！两种不同的导体接在一起会产生电动势 ？能用来制作传感器吗,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,10.3 热电偶温度传感器Thermoelectric Couple Sensors,热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶

15、的常用材料与结构 冷端处理及补偿 热电偶的选择、安装使用和校验,温度传感器原理与应用,两种不同类型的导体组合成闭合回路，若连接处温度不同，有温差时，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seebeck）发现，所以又称西拜克效应。,10.3.1 热电偶的工作原理,利用这种热电效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。,固定温度的接点称基准点（冷端）T0 ，恒定在某一标准温度； 待测温度的接点称测温点（热端）T ，置于被测温度场中。 这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。,热端,冷端,1

16、0.3.1 热电偶的工作原理,热电偶工作原理演示实验,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,自由端（参考端、冷端）,测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,(1) 接触电势,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,热端,冷端,两种导体的接触电势 不同金属自由电子密度不同，当

17、两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。 浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。,(2)单一导体温差电势（汤姆逊电势）,温差电势原理图,热端,冷端,对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。,由导体材料A

18、、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,(3) 回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。,根据电磁场理论得,EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T ),由于NA、NB是温度的单值函数,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-

19、EAB(T0) = EAB(T，0)-EAB(T0，0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。,(4)结论：,1. 热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零； 2. 如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零； 因此， 热电偶必须用不同材料做电极； 在T、T0两端必须有温差梯度， 这是热电偶产生热电势的必要条件。,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,(1) 均质导体

20、定律,10.3.2 热电偶回路的性质,E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0,三种不同导体组成的热电偶回路,(2) 中间导体定律,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则,两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图a, A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：,T2,T1,A a,B,C,2,3,EAB a,A,T0,2,3,

21、A,B,EAB,T1,T2,C,T0,EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）,(a),(b),T0,T0,EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）,第三种材料接入热电偶回路图,E,T0,T1,T1,T,电位计接入 热电偶回路,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）,T0,T,EBA(T,T0),B,A,T0,T,EAC(T,T0),A,C,T0,T,ECB(T,T0),C,B,2）如果任意两种导

22、体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,(3) 中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）,A,B,T1,T2,T2

23、,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何测量的问题提供了依据。如当T2=0时，则：,只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,热电压与温度差的关系在一般工程测量的范围内，简化为二阶关系：,当温度有微小变化时，许多热电偶可作线性化处理，而对精度的影响不大：,K热电压常数，mV/K,热电偶材料应满足： 物理性

24、能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。,10.3.3 热电偶的常用材料,八种国际通用热电偶,B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、 S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、 N:镍铬硅镍硅 、E:镍铬铜镍、 J:铁铜镍 、 T:铜铜镍,用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝,几种常用热电偶的测温范围及热电势,(1)铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1

25、300、短期：1600。 特点： 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。 材料属贵金属，成本较高。 热电势较弱。,(2)镍(nie)铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000，短期1

26、300。 特点： 价格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,(3)镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。 测量温度：长期600，短期800。 特点： 价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。,(4)铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL2 正极：铂铑合金（用70铂，30

27、铑冶炼而成）。 负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。 特点： 材料性能稳定，测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。 成本高。,结构： 普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构； 薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶，用于弧形表面物体测温； 消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。,a)普通热电偶 b)薄膜热电偶 c)铠装热电偶,10.3.4 热电偶的常用结构类型,热电偶的结构和种类,（1）工业用普通热电偶 下图为典型工业

28、用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,（2）铠(kai)装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。,图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,（3）快速反应薄膜热电偶 用真空

29、蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm),快速反应薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线,因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为 6060.2mm；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ms。,（4）快速消耗微型热电偶 图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚

30、化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型 1刚帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花； 7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线,电路调试步骤： 调零：T=0时调整调零电位器RP2使运放输出为零； 调增益：温度600时调节负反馈电阻，使运放输出在6V。 放大器增益为240.94，得到满量程输出6V（600）。,10.3.5 热电偶测量电路,方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法,原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差

31、，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,10.3.6 冷端处理及补偿,补偿导线,问题引出,解决方法,热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响;热电偶冷端暴露于空间，受环境温度影响,把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方,造成浪费,选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线,补偿导线,其一实现了冷端迁移； 其二是降低了成本。,功 能,不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同; 连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极一一对应; 补偿导线连接端的工作温度不能

32、超出（0100）,否则会给测量带来误差。,使用补偿导线注意问题,问题引出,冷端温度补偿,热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0时的热电势-温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的。,解决方法,0恒温法,冷端温度修正法,仪表机械零点调整法,补偿电桥法,(1)冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T0,中间温度定律,(2)计算修正法 用普

33、通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0.832 =2.831(mV) 再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),(3)补正系数法 把参比端实际温度TH乘

34、上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正系数，其它参数见下表。 例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（） 用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。,T T k T H,例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把

35、仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。,(4)零点迁移法,应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。,实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。,(5)冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化

36、而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ,电桥对仪表读数无影响.,冷端补偿器的作用,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,R,供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。 注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。,冷端温度修正法,设：冷端温度恒为t0（t00）被测温度为 t,修

37、正公式,冷端 t0的热电势,测量得出的热电势,被测温度 t 的热电势,仪表机械零点调整法,将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t0, 0),使用补偿电桥注意问题,根据各类热电偶的型号选择配套的补偿电桥,注意补偿温度的起点 在20平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到20 在0平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到0,补偿是相对的，以此有一定误差,(6)软件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。 对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信

38、号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。,（1）热电偶的选择、安装使用 热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电

39、位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。,另外，也可通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。,10.3.7 热电偶的选择、安装使用和校验,（2）热电偶的定期校验 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。,工业热电偶允许偏差,热电偶校验图 1-调压变压器； 2-管式电炉； 3标准热电偶； 4-被校热电偶； 5-冰瓶； 6-切换开关； 7-测试仪表； 8-试管,炉温的自动调节,10.3.8 热电偶应用,炉温的自动记录,比较：金属热电阻与热电

40、偶,精 度：高(0.1 ) 低(1 ) 电 阻 值：高 低 （灵敏度） 测量范围：较高 高 电 源：需要 不需要 响应速度： 一般 快 几何尺寸： 小 大,第10章 温度传感器,总结,温度传感器电阻因温度而变化 1）金属热电阻：温度越高，电阻越大，元件 在500以下使用； 2）半导体热敏电阻：温度越高，电阻越小， 在350 以下使用 热敏电阻传感器，有灵敏度高、适应性强的特 点，能远距离测量； 热电偶温度传感器测温，连接不同材料的金属 线一端，且加热节点，另两端产生电动势，可 在1500以下使用。,采用热辐射和光电检测的方法测量温度。 工作机理 当物体受热后，电子运动的动能增加，有一部分热能变

41、为辐射能，辐射能量的多少与物体的温度有关。 当温度较低时，辐射能力较弱； 当温度较高时，辐射能力较强； 当温度高于一定值后，可观察到发光，其光亮度与温度有一定关系。 高温及超高温检测可采用热辐射和光电检测。,10.4 非接触式温度传感器,全辐射式温度传感器 亮度式温度传感器 比色式温度传感器,1.全辐射式温度传感器,利用物体在全光谱范围内辐射能量与温度的关系测量温度。 全辐射温度传感器测得的温度总低于物体的真实温度，故称为辐射温度。,辐射温度的定义： 非黑体的总辐射能量ET等于绝对黑体的总辐射能量时，黑体的温度即为非黑体的辐射温度Tr，则物体真实温度T与辐射温度Tr的关系为,T温度T时的物体全辐射系数,全辐射定律(斯特藩-波耳兹曼定律) 黑体的全辐射度与绝对温度的四次方成正比. 灰体:,适用于远距离、不能直接接触的高温物体，其测温范围为（1002000 ）,全辐射温度计由辐射感温器、显示仪表及辅助装置构成。,全辐射温度计结构,其工作原理如图示。被测物体的热辐射能量，经物镜聚集在热电堆（由一组微细的热电偶串联而成）上并转换成热电势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，用显示仪表进行指示记录。,2.亮度式温度传感器,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珈射体的亮度进行比较来测