經(jīng)典溫度【溫度測量】傳感器課件

溫度和常用的測溫方法溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，溫度概念的建立和溫度的測量都是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。溫度---是一個基本物理量。常用的測溫方法

溫度這一參數(shù)是不能直接測量的，一般根據(jù)物質(zhì)的某些特性參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，通過對這些特性參數(shù)的測量而間接獲取。根據(jù)測溫傳感器的使用方式，測溫方法大體分為接觸式和非接觸式兩種。溫度測量(1)接觸式測溫法測溫傳感器敏感元件直接與被測物體接觸，在足夠長的時間內(nèi)，使傳感器與被測點達到熱平衡，以實現(xiàn)溫度測量。特點是：

由于傳感器與被測物體接觸，所以測量比較直觀、可靠，測溫準確度較高，但它直接影響被測物體溫度場的分布。

使用該種方法需要使測溫元件與被測物體達到熱平衡，所以測溫時產(chǎn)生較大的時間滯后，并由此帶來測量誤差。

測溫范圍在1600℃以下，通常1000℃以下的溫度容易測量，1200℃以上的溫度不易測量。溫度測量(2)非接觸式測溫法測溫傳感器不接觸被測物體，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測定物體溫度，故又稱輻射測溫。特點是：

測溫傳感器不與被測物體接觸，也不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，動態(tài)測量反應(yīng)快，適于測量高溫。受環(huán)境條件影響較大，測量精度較低。從理論上講，其測溫上限是無限的，實際上一般只用到3000℃。在高溫領(lǐng)域中，使用較多的有輻射高溫計、光學(xué)高溫計和光電高溫計等。

近些年來，紅外輻射高溫計、比色溫度計的應(yīng)用也在逐漸擴大。

溫度測量雙金屬溫度計結(jié)構(gòu)雙金屬溫度計是把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計。其結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化。故：它不僅用于測量溫度，而且還用于溫度控制裝置（尤其是開關(guān)的“通斷”控制），使用范圍相當(dāng)廣泛。雙金屬溫度計的工作原理（1）將其一端固定,如果溫度升高,下面的金屬B（例如黃銅）因熱膨脹而伸長，上面的金屬A（例如因瓦合金）卻幾乎不變，致使雙金屬偏向上翹。溫度越高則產(chǎn)生的線膨脹差越大，引起的彎曲越大。（2）感溫元件通常繞成螺旋形，一端固定，另一端連接指針軸。溫度變化時，感溫元件的彎曲率發(fā)生變化，并通過指針軸帶動指針偏轉(zhuǎn)，在刻度盤上顯示出溫度的變化。溫度測量溫度測量熱電溫度計熱電式傳感器是將溫度的變化轉(zhuǎn)為電量輸出變化的裝置。工程測量中，又以溫度轉(zhuǎn)換成電勢和電阻變化的方法最為普遍，所以一般將常用的溫度傳感器分為兩大類，即：1。熱電偶------溫度→電勢2。熱(敏)電阻------溫度→電阻將兩種不同的金屬A

和

B

連接成圖示的閉合回路。我們稱它為熱電偶。熱電偶A.B

材料稱之為“熱電極”(熱偶的)溫度測量由理論分析可知:熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢EAB(T,T0)是由“接觸電勢”和“溫差電勢”兩部分組成.即:EAB(T,T0)=接觸電勢(一)接觸電勢(Poltier電勢)1793年,伏打發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩種不同的金屬相互接觸時.兩種金屬的接觸表面各出現(xiàn)“異號電荷”,并稱金屬表面之間所產(chǎn)生的電位差為“接觸電勢”他還發(fā)現(xiàn),接觸電勢的大小隨兩兩接觸的金屬不同而大小不同.

并且發(fā)現(xiàn),所有的金屬導(dǎo)體可以排列一個序列,序列中任何一種金屬與后一種金屬相接觸,前者帶正電后者帶負電.鉛.鋅.錫.鎘.鋁.銻.鉍.水銀.鐵.銅.銀.金.鉑.鈀….+溫差電勢溫度測量接觸電勢產(chǎn)生的機理

當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B接觸時,由于兩者的電子密度不同,如:NA>NB.電子在兩個方向上擴散的速度也不同,從A→B的電子比A←B的電子多.

結(jié)果,A失去電子而帶正電荷,B得到電子帶負電荷.

于是在A,B的接觸面上形成靜電場ES,并且阻礙電子的繼續(xù)擴散,A,B之間就形成了電位差VA-VB

即:接觸電勢.溫度測量式中:eAB(T)和eAB(T0)---為導(dǎo)體A與B的接點在溫度T和T0

時形成的電位差.---A.B導(dǎo)體在接點溫度為T和T0

時的電子密度.k---波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23

J/K或1.38×10-10爾格/OCe---單位電荷4.802×10-10絕對靜電單位對于熱電偶而言:eAB(T0)eAB(T)低溫端高溫端溫度測量(三)熱電偶的熱電勢溫度測量值得注意的是在實際使用中,試驗證明:接觸電勢一般為n/10伏---n伏(特)溫差電勢一般為n/100伏(特)∵T>T0∴總電勢:EAB(T,T0)中,接觸電勢EAB(T)所占的比重大.∴A為正極,B為負極.對上式整理可得:又∵NA>NB

溫度測量分析:⒈熱電偶總電勢與NA.NB

材料電子密度及兩端接點溫度T,T0

有關(guān).⒉電子密度NA.NB

不僅取決于熱電偶材料的特性,而且隨溫度變化,故其是一個非常量.⒊所以當(dāng)材料一經(jīng)確定,總電勢EAB(T,T0)就成了溫度T和T0的函數(shù)差.即EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)⒋如果用某種方法使“冷端”溫度T0恒定,則對一定的材料的熱電偶其總電勢就只與T成單值函數(shù)關(guān)系.即EAB(T,T0)=f(T)–C=φ(T)式中:C為由恒定溫度決定的常數(shù),關(guān)系式由實驗獲得,測量時很有用處.溫度測量1)鉑銠10-鉑熱電偶由φ0.5mm的純鉑絲和直徑相同的鉑銠絲制成。鉑銠絲為正極,

純鉑絲為負極。它的特點是熱電性能好，抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用。長期適用的溫度為1400℃，短期使用溫度為1600℃。在所有的熱電偶中，它的準確度等級最高,

通常用作標準或測量高溫的熱電偶，其使用溫度范圍廣（0~1600℃），均質(zhì)性及互換性好；其缺點是價格昂貴,熱電勢較小，需配靈敏度高的顯示儀表。2)鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶鎳鉻為正極，鎳硅為負極。其特點是：使用溫度范圍寬（-50~1300℃)高溫下性能較穩(wěn)定，熱電動勢和溫度的關(guān)系近似線性，價格便宜，因此是目前用量最大的一種熱電偶。它適用于在氧化性和惰性氣氛中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃，長期使用溫度為1000℃。常用熱電偶的特性溫度測量鎳鉻為正極，康銅為負極。它的最大特點是在常用熱電偶中熱電動勢最大，即靈敏度最高，適宜在－250~870℃范圍內(nèi)的氧化性或惰性氣氛中使用,尤其適宜在0℃以下使用。在濕度大的情況下，較其它熱電偶耐腐蝕。3)鎳鉻—康銅熱電偶純銅為正極，康銅為負極。其特點是：在賤金屬熱電偶中準確度最高，熱電絲均勻性好，使用溫度范圍為-200～

350℃。4)銅-康銅熱電偶此外，還有非標準化熱電偶，有鎢錸系列（屬難融金屬），鉑銠系列，銥銠系列，鉑鉬系列及非金屬熱電偶等。溫度測量各種材料熱電偶的分度表熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。溫度測量代入上式:當(dāng)2.3點溫度為T0

時且T>T0

材料為C證明：只要第三種導(dǎo)線兩端的溫度相等,對熱電偶的總電勢沒有影響.溫度測量∵∴證明：只要第三種導(dǎo)線兩端的溫度相等,對熱電偶的總電勢沒有影響.溫度測量⒌標準電極定律溫度測量（六）冷端溫度補償從熱電偶的工作原理及關(guān)系式EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)可知：熱電勢的大小，取決于冷、熱端的溫度之差如果冷端溫度不是恒定的,而是波動的.所測得的溫度就不是實際溫度,即會產(chǎn)生誤差.為了消除這種影響,常采用冷端補償方法進行.⒈補償導(dǎo)線法溫度測量為了保證冷端溫度恒定,常將其置于恒溫箱中.由于熱端加長必造成浪費,如果采用某種導(dǎo)線將冷端延伸出來,(導(dǎo)線在0-100OC范圍內(nèi)其熱電性質(zhì)與該熱端相近),該導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線.例:試證明補償導(dǎo)線的作用解:總電勢為:EAB(T,T0)=ECD(T,T0)恒溫箱溫度測量設(shè):回路各點溫度相同,即:總熱電勢=0將(b)代入(a)式∵EAB(T,T0)=ECD(T,T0)∴即:ECD(t1,T0)

=

EAB(t1,T0)溫度測量補償導(dǎo)線的類型I類型通常是和所配用熱電極相同的合金；Ⅱ類型通常是和所配熱電極不相同的合金。表中:例:

分度號為K的熱電偶誤用了分度號為E的補償導(dǎo)線，但極性連接正確，則儀表的指示如何變化？已知t=500℃，t0’=30℃,t0=20℃。解：若錯用補償導(dǎo)線，則根據(jù)中間溫度定律則，熱電偶電勢為：若用正確的補償導(dǎo)線，則和溫度t0’

無關(guān)，熱電偶電勢為：補償導(dǎo)線用錯，指示值偏高。溫度測量溫度測量⒉冷端溫度校正法一般在測量中,都是將冷端置于“0OC”中,并作出各種熱電偶的溫度-熱電勢關(guān)系曲線.而實際測量時,因種種原因冷端不等于“0OC”,這時需對測量結(jié)果進行修正,求得真實值.當(dāng):誤差為:溫度測量真實值示值非:“0

OC”誤差值溫度測量例:鎳鉻-鎳硅熱電偶(K),工作時其自由端溫度Tn=30O,測得熱電勢E(T,Tn)=38.56mV.求被測實際溫度.由熱電偶分度表查出E(30,0O)=1.20mV則E(T,0O)=E(T,30O)+E(30,0O)=39.76(mV)再從表中查得其對應(yīng)溫度為980OC=38.56+1.20隔爆型熱電偶結(jié)構(gòu)特點隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。使用場合工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。溫度測量溫度測量隔爆型熱電偶溫度測量把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。

內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。溫度測量鎧裝熱電偶的制造工藝：鎧裝熱電偶特點鎧裝型熱電偶可長達上百米BA絕緣材料鎧裝型熱電偶外形溫度測量溫度測量1)若熱電偶的兩極材料相同,且T≠T0,則熱電偶(

)。（A）僅接觸電勢為零

（B）總的熱電動勢為零

（C）僅單一導(dǎo)體的熱電勢為零

（D）有電勢輸出2)非接觸式測溫法的特點包括(

)。（A）改變被測物體的溫度分布

（B）熱慣性小

（C）動態(tài)測量反應(yīng)快

（D）不受環(huán)境條件影響3)實際測溫時熱電偶的熱電勢主要是指（

）

A)溫差電勢B)中間接點電勢

C)溫差電勢+接點電勢D)接點電勢