傳感器與檢測課件cgq9第9章溫度檢測技術

1、第9章 溫度檢測技術 溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，它是工農業(yè)生產、科學試驗中需要經常測量和控制的主要參數。從熱平衡的觀點看，溫度可以作為物體內部分子無規(guī)則熱運動劇烈程度的標志。溫度與人們日常生活緊密相關。第第9章章 溫度檢測技術溫度檢測技術 9.1 概述概述9.2 接觸式測溫方法接觸式測溫方法9.3 輻射法測溫輻射法測溫第第9章章 溫度檢測技術溫度檢測技術 為了保證溫度量值的準確和利于傳遞，需要建立一個衡量溫度的統(tǒng)一標準尺度，即溫標。利用一些物質的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過這些量來對溫度進行間接測量。經驗溫標1熱力學溫標2絕對氣體溫標

2、3國際實用溫標4華氏溫標 1714年德國人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測溫介質，制成玻璃水銀溫度計。 按照華氏溫標，則水的冰點為32 ，沸點為212 。攝氏溫標 1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標準大氣壓下，把水的冰點規(guī)定為0度，水的沸點規(guī)定為100度。 攝氏溫度和華氏溫度的關系為 T = t + 32 式中 T華氏溫度值; t攝氏溫度值。熱力學溫標是由開爾文(Ketvin)在1848年提出的，以卡諾循環(huán)(Carnot cycle)為基礎。熱力學溫標是國際單位制中七個基本物理單位之一。熱力學溫標為了在分度上和攝氏溫標相一致，把理想氣體壓力為零時對應的溫度絕對零度與水的三

3、相點溫度分為273.16份，每份為1 K (Kelvin) 。從理想氣體狀態(tài)方程入手，來復現熱力學溫標叫絕對氣體溫標。由波義耳定律： 當氣體的體積為恒定(定容)時，其壓強就是溫度的單值函數。這樣就有： PVRT2211TPTP指導思想：盡可能地接近熱力學溫標，復現精度要高，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便；1989年7月第77屆國際計量委員會批準建立了新的國際溫標，簡稱ITS-90。ITS-90基本內容：1、重申國際實用溫標單位仍為K，1 K等于水的三相點等于水的三相點時溫度值的時溫度值的1/273.16；2、把水的三相點時溫度值定義為水的三相點時溫度值定義為0.01（攝氏度），同時相應把絕對零

4、度修訂為把絕對零度修訂為-273.15；國際攝氏溫度和國際實用溫度關系為：9090273.15tTITS-90基本內容：3、把整個溫標分成4個溫區(qū)，其相應的標準儀器如下： 0.655.0K，用3He和4He蒸汽溫度計； 3.024.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計； 13.803K961.78，用鉑電阻溫度計； 961.78以上，用光學或光電高溫計；4、新確認和規(guī)定17個固定點溫度值以及借助依據這些固定點和規(guī)定的內插公式分度的標準儀器來實現整個熱力學溫標。見表9-1所示：表9-1 ITS-90溫標17固定點溫度 9.1.2 9.1.2 測溫方法分類及其特點測溫方法分類及其特點 根據傳

5、感器的測溫方式，溫度基本測量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。9.1.2 9.1.2 標定標定標準值法標準值法1 用適當的方法建立起一系列國際溫標定義的固定溫度點(恒溫)作標準值，把被標定溫度計(或傳感器)依次置于這些標準溫度值之下，記錄下溫度計的相應示值(或傳感器的輸出)，并根據國際溫標規(guī)定的內插公式對溫度計(傳感器)的分度進行對比記錄，從而完成對溫度計的標定；被定后的溫度計可作為標準溫度計來測溫度。9.1.2 9.1.2 標定標定標準表法標準表法2 把被標定溫度計(傳感器)與已被標定好的更高一級精度的溫度計(傳感器)，緊靠在一起，共同置于可調節(jié)的恒溫槽中，分別把槽溫調節(jié)到所選擇的若干溫

6、度點，比較和記錄兩者的讀數，獲得一系列對應差值，經多次升溫，降溫、重復測試，若這些差值穩(wěn)定，則把記錄下的這些差值作為被標定溫度計的修正量，就成了對被標定溫度計的標定。接觸式與非接觸式測溫特點比較測量條件接觸式接觸式：感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度;被測對象不對感溫元件產生腐蝕非接觸式非接觸式：知道被測對象表面發(fā)射率；被測對象的輻射能充分照射到檢測元件上測量范圍接觸式接觸式： 1200以下、熱容大、無腐蝕性，對象的連續(xù)在線測溫非接觸式非接觸式：從超低溫到極高溫，但1000以下，測量誤差大接觸式與非接觸式測溫特點比較精 度接

7、觸式接觸式：通常為1.0、0.5、0.2及0.1級非接觸式非接觸式：通常為1.0、1.5、2.5級 響應速度接觸式接觸式：慢，通常為幾十秒到幾分鐘非接觸式非接觸式：快，通常為23秒鐘 其它特點接觸式：接觸式：結構簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉非接觸式：非接觸式：結構復雜、體積大、調整麻煩、價格昂貴各種溫度檢測方法及其測溫范圍第第9章章 溫度檢測技術溫度檢測技術 9.1 概述概述9.2 接觸式測溫方法接觸式測溫方法9.3 輻射法測溫輻射法測溫9.2 接觸式測溫方法 根據測溫轉換的原理，接觸式測溫可分為：1、膨脹式、膨脹式(包括液體和固體膨脹式包括液體和固體膨脹式) 2、熱阻式、熱阻式(包

8、括金屬熱電阻和半導體熱電阻包括金屬熱電阻和半導體熱電阻) 3、熱電式、熱電式(包括熱電偶和包括熱電偶和PN結結)9.2.1 熱膨脹式測溫方法 基于物體受熱時產生膨脹的原理，分為液體液體膨脹式膨脹式和固體膨脹式固體膨脹式兩類。按膨脹基體膨脹基體可分成：液體膨脹式玻璃溫度計玻璃溫度計、液體或氣體膨脹式壓力溫度計壓力溫度計及固體膨脹式雙雙金屬溫度計金屬溫度計 特點：1、測量范圍大都在-50550內2、用于溫度測量或控制精度要求較低較低，不需自不需自動記錄動記錄的場合。 1.壓力溫度計 壓力溫度計是根據一定質量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條件下體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數關系壓力與溫度呈確

9、定函數關系的原理實現其測溫功能的。特點：特點：強度大、不易破損、讀數方便，但準確度較低、耐腐蝕性較差測溫范圍下限能達-100以下，上限最高可達600一般用于汽車、拖拉機、內燃機、汽輪機的油、水系統(tǒng)的溫度測量 1.壓力溫度計感溫介質因被測溫度的高低而導致其體積膨脹或收縮造成壓力的增減，壓力傳給彈簧管，指針偏轉，指示出溫度。 毛細管愈長，則溫度計響應愈慢，管愈細，則準確度愈高 1.壓力溫度計測溫范圍-2060,0100,20120,60160溫包插入深度(mm)150280（尾長12M）8,10,13,14不銹鋼管溫包材料8,10,13,14鋼管 8,10,13,14不銹鋼管毛細管材料銅質毛細管

10、包塑毛細管 不銹鋼毛細管安裝方式WTZ-280M272可動外螺紋材料：銅，鐵，不銹鋼尾長1M20M20M特殊加工技術參數精度等級：1.5，2.5觸頭容量：220V/1A（無感負載10VA）安裝孔尺寸4-118mm 6-158mm2.雙金屬溫度計當溫度變化時，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數差異相對很大而產生不同的膨脹和收縮，導致雙金屬片產生彎曲變形。 基于固體受熱膨脹原理，測量溫度通常是把兩片線膨脹系數差異相對很大的金屬片疊焊在一起，構成雙金屬片感溫元件（俗稱雙金屬溫度計）。2.雙金屬溫度計雙金屬溫度計的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測溫范圍大致為 -80600，精度

11、等級通常為1.5級左右。雙金屬溫度計抗振性好，讀數方便，但精度不太高，只能用做一般的工業(yè)用儀表。9.2.2 熱阻式測溫技術 基于熱電阻原理測溫是根據金屬導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質，將電阻值的變化轉換為電信號，從而達到測溫的目的。熱電阻的材料：電阻率、電阻溫度系數要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關系最好近于線性；物理、化學性質要穩(wěn)定，復現性好，易提純，同時價格盡可能便宜。 優(yōu)點：信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠傳（與熱電偶相比）、無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。缺點：需要電源激勵、有自熱現象（會影響測量精度）以及測量溫度不能太高。 常用熱

12、電阻種類主要有鉑電阻、銅電阻和半導體熱敏電阻。9.2.2 熱阻式測溫技術 鉑電阻測溫 鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻溫度關系呈非線性，但測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復現性好；在氧化性介質中，甚至高溫下，其物理、化學性質都很穩(wěn)定。目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。 鉑電阻與溫度的關系當 時 當 時 鉑電阻測溫 2000t 0850t 2301100R tRAtBtCtt 201R tRAtBt式中 R0溫度為零時鉑熱電阻的電阻值 R（t）溫度為t時鉑熱電阻的電阻值； A=3.9080210-3 B=-5.801910-7 C=-4.2735010-1

13、2熱電阻的結構鉑電阻測溫 熱電阻感溫元件是用來感受溫度的電阻器。它是熱電阻的核心部分，由電阻絲及絕緣骨架構成。作為熱電阻絲材料應具備如下條件： 電阻溫度系數大、線性好、性能穩(wěn)定；電阻溫度系數大、線性好、性能穩(wěn)定； 使用溫度范圍廣、加工方便；使用溫度范圍廣、加工方便； 固有電阻大，互換性好，復制性強。固有電阻大，互換性好，復制性強。鉑電阻測溫 熱電阻的引線形式 熱電阻的內引線是出廠時自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測量及控制裝置相連接。 熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種，如圖9-4所示。鉑電阻測溫 鉑電阻測溫 1.兩線制測量電橋 2.三線制測量電橋 3. 四線制測量原理 RT

14、D為被測熱電阻，通過四根電阻引線將熱電阻引入測量設備中，各引線電阻為RLEAD；恒流源I加到RTD的兩端，RTD另兩端接入電壓表VM，由于電壓表具有極高的輸入電阻（通常高于100 M），因此流經電壓表的電流可忽略不計，VM兩端電壓完全等于RTD兩端的電壓，流經RTD的電流完全等于恒流源電流I。 由此可見，RTD的電阻值精確等于U/I，與引線電阻無關。 3.四線制測量原理 該測量原理的誤差主要來自于恒流源的精度、電壓表的測量精度、引線的固有熱電勢?？刹捎萌缦麓胧┨岣邷y量精度：在電流回路中加入一具有極低溫度系數的高精密電阻作為采樣電阻，測量該采樣電阻上的電壓值VS進而精確得到恒流源的電流值I，從而

15、消除由于溫漂、失調等因素造成的恒流源誤差；變換恒流源極性測量熱電阻，可大大抑制熱電勢的影響。銅電阻和熱敏電阻測溫 銅電阻 銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關系幾乎呈線性呈線性，其材料易提純，價格低廉易提純，價格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應慢；另因銅在250以上溫度本身易于氧化易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號分別為Cu50和和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40120。其電阻值與溫度的關系為： 當時50150t 2301R tRAtBtCt銅電阻和熱敏電阻測溫 熱敏電阻的優(yōu)點： 靈敏度高靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大12個數量級； 很好地與各種電路匹配，

16、而且遠距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響幾乎無需考慮連線電阻的影響； 體積小體積??； 熱慣性小，響應速度快，適用于快速變化快速變化的測量場合； 結構簡單堅固結構簡單堅固，能承受較大的沖擊、振動。 熱敏電阻的缺點： 阻值與溫度的關系非線性嚴重； 元件的一致性差，互換性差； 元件易老化，穩(wěn)定性較差； 除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數熱敏電阻僅適合0150范圍，使用時必須注意。銅電阻和熱敏電阻測溫 9.2.3 熱電偶測溫 熱電偶是工業(yè)和武備試驗中溫度測量應用最多的器件。特點：測溫范圍寬、測量精度高、性能穩(wěn)定、結構簡單，且動態(tài)響應較好；輸出直接為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。1.熱電偶測溫

17、原理 熱電偶的測溫原理基于熱電效應。將兩種不同的導體A和B連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢，由于這種熱電效應現象是1821年塞貝克（Seeback）首先發(fā)現提出，故又稱塞貝克效應（如圖9-8所示）。 熱電偶閉合回路中產生的熱電勢由兩種電勢組成：溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一熱電極兩端因溫度不同而產生的電勢。接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，而熱電極接點接觸面處就產生自由電子的擴散現象，當達到動態(tài)平衡時，在熱電極接點處便產生一個穩(wěn)定電勢差。1.熱電偶測溫原理 熱電偶兩熱電極分別叫 A（正極）和B（負極），0TT、0TT1.熱電偶測溫原理 0

18、000ABABABABETTETETETTETT， 其中溫差電勢EA（T，T0）和EB（T，T0）比接觸電勢小很多，可忽略不計，且EAB（T0）總與EAB（T）的方向相反，上式簡化為： 00ABABABETTETET，2.熱電偶分類及特性 為了得到實用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能： (1)優(yōu)良的熱電特性；(2)良好的物理性能 ；(3)優(yōu)良的化學性能 ；(4)優(yōu)良的機械性能 ；(5)足夠的機械強度和長的使用壽命；(6)制造成本低，價值比較便宜。工業(yè)用熱電偶測溫范圍2.熱電偶分類及特性 3.熱電偶結構 普通工業(yè)用熱電偶 熱電偶通常主要由四部分組成 (如圖9-11所示)：熱電極

19、、絕緣管、保護管和接線盒。鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶，是將熱電偶絲和絕緣材料一起緊壓在金屬保護管中制成的熱電偶。3.熱電偶結構 優(yōu)點：測量溫度范圍寬 ，響應速度快 ，撓性好、安裝使用力便，使用壽命長 ，機械強度、耐壓性能好 ，鎧裝熱電偶外徑尺寸范圍寬 ，鎧裝熱電偶的長度可以做得很長。 4.熱電偶溫度測量 優(yōu)點：改善熱電偶測溫線路的機械與物理性能降低測量線路的成本節(jié)省貴金屬材料，便于安裝與敷設；若用直徑粗、電導系數大的補償導線，還可減少測量回路電阻。補償導線使用注意事項如下：各種補償導線只能與相應型號的熱電偶匹配使用；補償導線與熱電偶連接點的溫度，不得超過規(guī)定的使用溫度范圍；由于補償導線與電極材料通常

20、并不完全相同，因此兩連接點溫度必須相同；在需高精度測溫場合，處理測量結果時應加上補償導線的修正值，以保證測量精度。4.熱電偶溫度測量 參比端處理我們經常使用的熱電偶分度表，都是以熱電偶參比端為0條件下制作的。在工業(yè)測溫現場一般不能使參比端保持0?，F在由于計算機尤其是微處理器和單片機推廣普及，因而，智能化測溫儀普遍按下述以軟件為主的補償方式：當熱電偶的測量端和參比端溫度分別為t、t1，假定t1t0=0 ，則熱電動勢0110ABABABEttEttEtt，4.熱電偶溫度測量 例9.1：用K型熱電偶測爐溫時，測得參比端溫度t138；測得測量端和參比端間的熱電動勢E(t, 38 )29.90 mV，試

21、求實際爐溫。解由K型分度表查得E(38，0)1.53 mV，由式(6-11)可得到： E(t，0)E (t, t1 ) + E(t1, 0 ) 29.90 +1.53= 31.43 mV再查K型分度表，由31.43 mV查得到實際爐溫755 。4.熱電偶溫度測量 4.熱電偶溫度測量 上述例子，若參比端不作修正，則按所測測量端和參比端間的熱電動勢E(t, 32 )29.90 mV查K型分度表得對應的爐溫718，與實際爐溫755相差37，由此產生的相對誤差約為5%。由此可見，如果不考慮參比端溫度修正、補償有時將產生相當大的（溫度）測量誤差。9.1 概述概述9.2 接觸式測溫方法接觸式測溫方法9.3

22、 輻射法測溫輻射法測溫第第9章章 溫度檢測技術溫度檢測技術 9.3 輻射法測溫 任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內部帶電粒子在分子和原子內振動產生的，其中與物體本身溫度有關傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。能對被測物體熱輻射能量進行檢測，進而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計。9.3 輻射法測溫 9.3.1 9.3.1 輻射測溫的基本原理輻射測溫的基本原理9.3.2 輻射測溫方法及其儀表9.3.3 紅外測溫與紅外成像測溫儀9.3.1 輻射測溫的基本原理輻射式溫度計的感溫元件通常工作在屬于可見光和紅外光的波長區(qū)域。輻射式溫度計的感溫元件使

23、用的波長范圍為0.340m。相關概念： 絕對黑體：在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量。 選擇吸收體：對輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關外，還與波長有關。 灰體：吸收(或輻射)本領與波長無關。如果波長與溫度T滿足C2(T)1，則可把普朗克公式簡化為維恩(Wien)公式。在溫度低于3000K，對于波長較短的可見光，用維恩公式替代普朗克公式產生的誤差1。210/5CTCLTe ，9.3.1 輻射測溫的基本原理9.3.1 輻射測溫的基本原理 從圖中可以看到如下一些規(guī)律：每條曲線均有一個極大值，而且這個極值是隨著溫度升高而向波長短的方向移動；不同溫度下的曲線，其曲線峰值點的波長 m和

24、溫度T均滿足維恩位移定律。實驗和理論分析表明，黑體的總輻射能力與溫度的關系滿足斯蒂藩一玻耳茲曼定律：9.3.1 輻射測溫的基本原理40)(TTM綜上所述，任何實際物體的總輻射亮度與溫度的四次方成正比；通過測量物體的輻射亮度就可得到該物體的溫度，這就是輻射測量的基本原理。1.光譜輻射溫度計2. 比色高溫計 光學高溫計光電高溫計硅輻射溫度計9.3.2 輻射測溫方法及其儀表 依據物體光譜輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關系，可以測出物體的溫度。目前國內外使用的光譜輻射溫度計都是根據被測物體的光譜輻射亮度來確定物體的溫度。光譜輻射溫度計 1.光學高溫計 特點：結構較簡單，使用方便，適用于1000 K3

25、500 K范圍的溫度測量，其精度通常為1.0級和l.5級，可滿足一般工業(yè)測量的精度要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測量。用光學高溫計測量被測物體的溫度時，讀出的數值將不是該物體的實際溫度，而是這個物體此時相當于絕對黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。亮度溫度：在波長為 、溫度為T時，某物體的輻射亮度L與溫度為TL的絕對黑體的亮度L0 相等，則稱TL為這個物體在波長為時的亮度溫度。數學表達式為 通常用維恩公式維恩公式來近似表示光譜輻射亮度 光學高溫計是在波長為的單色波長下獲得的亮度。實際溫度為),(),(),(),(00LTLTLTTL2211/55( , )LCTCTCCTee 22l

26、nCTTCTLL1.光學高溫計 光學高溫計通常采用0.660.01m的單一波長，將物體的光譜輻射亮度L 和標準光源的光譜輻射亮度進行比較，確定待測物體的溫度。光學高溫計有三種形式：燈絲隱滅式光學高溫計燈絲隱滅式光學高溫計恒定亮度式光學高溫計恒定亮度式光學高溫計光電亮度式光學高溫計光電亮度式光學高溫計1.光學高溫計 燈絲隱滅式光學高溫計 原理：由人眼對熱輻射體和高溫計燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進行判斷，調節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實現溫度測量的。WGGZ型光學高溫計的示意圖如下圖所示：2.光電高溫計 優(yōu)點：結構相對較簡單，靈敏度高，測量范圍廣，使用方便。缺點：光學高溫計在測

27、量物體的溫度時，由于要靠手動調節(jié)燈絲的亮度，由眼睛判別燈絲的“隱滅”，故觀察誤差較大，也無法實現自動檢測和記錄。光電高溫計與光學高溫計相比，主要優(yōu)點有：靈敏度高精確度高使用波長范圍不受限制光電探測器的響應時間短便于自動測量與控制2.光電高溫計 3.輻射溫度計 輻射溫度計是根據全輻射定律，基于被測物體的輻射熱效應進行工作的。輻射溫度計由輻射敏感元件輻射敏感元件、光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)、顯示儀表顯示儀表及輔助裝置輔助裝置等幾大部分組成。輻射溫度計與光學高溫計一樣是按絕對黑體進行溫度分度的，因此用它測量非絕對黑體的具體物體溫度時，儀表上的溫度指示值將不是該物體的真實溫度，我們稱該溫度為此被測物體的輻射溫度。輻射溫度計的敏感元件，分光電型與熱敏型兩大類。3.輻射溫度計 光電型：光電倍增管、硅光電池、鍺光電二極管等。特點是響應速度極快，光電特性曲線一致性不好。熱敏型：熱敏電阻、熱電堆等。特點是對響應波長無選擇性，靈敏度高，熱電特性曲線一致性好，響應時間常數較大，通常為0.01s1s。3.輻射溫度計 輻射高溫計光學系統(tǒng)的作用是聚集被測物體的輻射能。其形式有透射型和反射型兩大類。輻射高溫計的測量儀表按顯示方式可分為自動平自動平衡式衡式、動圈式動圈式和數字式數字式三類。輻射高溫計的輔助裝置主要包括水冷卻水冷卻和煙塵防煙塵防護裝置護裝置。與光學高溫計相比較，輻射高溫計的測量