過程檢測技術(shù)

檢測技術(shù)及儀表第二章參數(shù)檢測技術(shù)SchoolofElectrical&AutomationEngineering,NanjingNormalUniversity本章主要內(nèi)容2-1參數(shù)檢測的一般方法和原理2-2溫度檢測2-3壓力檢測2-4物位檢測2-5流量檢測2-6成分參數(shù)檢測2-1參數(shù)檢測的一般方法和原理一、自然規(guī)律與檢測方法守恒定律、場的定律、物質(zhì)定律、統(tǒng)計(jì)法則二、基礎(chǔ)效應(yīng)與檢測方法光電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、電（流）磁效應(yīng)、壓電效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng)三、參數(shù)檢測的一般方法光學(xué)法、力學(xué)法、熱學(xué)法、電學(xué)法、聲學(xué)法、磁學(xué)法、射線法2-2溫度檢測重點(diǎn)：1．溫度測量的依據(jù)及方法2．溫標(biāo)的三要素及ITS-90溫標(biāo)的主要內(nèi)容3．熱電偶測溫原理及基本定律4．常用熱電偶類型及特性5．熱電偶冷端溫度補(bǔ)償6．熱電偶測溫電路及其測溫應(yīng)用7.熱電阻測溫原理、測溫線路及熱電阻類型2-2溫度檢測

溫度測量的依據(jù)——為了判斷溫度的高低，借助于某種物質(zhì)的某種特性隨溫度變化的規(guī)律，這些特性變化作為溫度測量的依據(jù)。一.溫度與溫標(biāo)1、溫度的基本概念(宏觀、微觀)

溫度是一個基本物理量。

溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。

溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。

自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測量和控制的一個重要物理量。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)。2、溫標(biāo)1）經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的基礎(chǔ)是利用物質(zhì)體膨脹與溫度的關(guān)系。認(rèn)為在兩個易于實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定的溫度點(diǎn)之間所選定的測溫物質(zhì)體積的變化與溫度成線性關(guān)系。把在兩溫度之間體積的總變化分為若干等分，并把引起體積變化一份的溫度定義為1度。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)與測溫介質(zhì)有關(guān)，有多少種測溫介質(zhì)就有多少個溫標(biāo)。按照這個原則建立的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)：所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計(jì)。分度方法是規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，水的冰點(diǎn)為零度，沸點(diǎn)為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏度，單位為“oC“華氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀溫度計(jì)，按照華氏溫標(biāo)，水的冰點(diǎn)為32oF，沸點(diǎn)是212oF。分成180份，對應(yīng)每份的溫度為1華氏度，單位為“oF”。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

2）熱力學(xué)溫標(biāo)

熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo)，或稱絕對溫標(biāo)，它規(guī)定分子運(yùn)動停止時的溫度為絕對零度；是一種與測溫工質(zhì)無關(guān)的溫標(biāo)；是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的一種理想溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)是一種純理論的理想溫標(biāo)，無法直接實(shí)現(xiàn)。

3）國際溫標(biāo)

國際溫標(biāo)——由國際上協(xié)商決定，既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度，又使用方便、容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)。建立國際溫標(biāo)的三要素：

1.定義固定點(diǎn)作為溫標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)相平衡溫度

2.內(nèi)插公式

3.基準(zhǔn)儀器國際溫標(biāo)

ITS-27ITS-48ITS-68

ITS-90ITS-90簡介

熱力學(xué)溫度是基本溫度，記作T90，其單位是開爾文（符號為K）熱力學(xué)溫度規(guī)定水三相點(diǎn)溫度是273.16K，1K等于水三相點(diǎn)溫度的1/273.16。攝氏溫度記作t90，單位為攝氏度（℃）

T90與t90關(guān)系t90=T90-273.15ITS-90內(nèi)容ITS-90國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定了17個定義固定點(diǎn)ITS-90國際實(shí)用溫標(biāo)分為4個溫區(qū)，各個溫區(qū)中使用的內(nèi)插儀器為：(1)0.65～5.0K間為3He和4He蒸氣壓溫度計(jì)；(2)3.0～24.5561K間為3He和4He定容氣體溫度計(jì)；(3)13.9033K～961.78℃間為鉑電阻溫度計(jì)：(4)961.78℃以上為光學(xué)或光電溫度計(jì)。二、溫度檢測方法與分類

按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.接觸式測溫接觸式的特點(diǎn)是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。優(yōu)點(diǎn)：直觀可靠。缺點(diǎn)：是感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。2、非接觸式測溫

非接觸測溫的特點(diǎn)是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點(diǎn)，具有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測量運(yùn)動物體的溫度和快速變化的溫度。測溫儀器

接觸式儀器又可分為:

膨脹式溫度計(jì)(包括液體和固體膨脹式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì))、

電阻式溫度計(jì)(包括金屬熱電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì))、

熱電式溫度計(jì)(包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計(jì))以及其它原理的溫度計(jì)。

非接觸式溫度計(jì)又可分為輻射溫度計(jì)、亮度溫度計(jì)和比色溫度計(jì)，由于它們都是以光輻射為基礎(chǔ)，故也統(tǒng)稱為輻射溫度計(jì)。

按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測量。超低溫一般是指0～10K，低溫指10～800K，中溫指800～1900K，高溫指1900～2800K的溫度，2800K以上被認(rèn)為是超高溫。1.熱電偶的工作原理

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。三、熱電偶熱電勢熱電勢=兩導(dǎo)體的接觸電勢+同一導(dǎo)體的溫差電勢接觸電勢（Peltier電勢）：由于不同導(dǎo)體中的自由電子密度（單位體積內(nèi)自由電子數(shù)）不同，故當(dāng)二種不同的金屬導(dǎo)體A和B相互接觸時，接觸面上發(fā)生電子擴(kuò)散，其擴(kuò)散率與兩導(dǎo)體的自由電子密度差值和接合面溫度成正比。

接觸電勢：溫差電勢（Thomson電勢）

熱端的自由電子能量、擴(kuò)散的速率>冷端的自由電子能量、擴(kuò)散的速率。溫差電勢：

湯姆遜系數(shù)，代表溫升10C產(chǎn)生的電勢，它與材料、溫差有關(guān)。

T、T0—

導(dǎo)體兩端的溫度熱電偶閉合回路的總電勢

對于金屬A、B組成的熱電偶回路，當(dāng)溫度T>T0，NA>NB時，回路的總電勢EAB(T,T0)如下：小結(jié):1.熱電偶回路中熱電勢僅與熱電偶電極材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)；2.當(dāng)冷端溫度恒定時，一定材料的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢僅與熱端溫度有關(guān)；3.由于溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢，熱電偶回路中熱電勢主要取決于接觸電勢。2.熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0TT0V2)中間導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。3）中間溫度定律

在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Tn和Tn、T0時熱電勢的代數(shù)和。即:4）參考電極定律

兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。3.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表S鉑銠10-鉑

R鉑銠13-鉑B鉑銠30-鉑銠6

K鎳鉻-鎳硅E鎳鉻-銅鎳合金（康銅）

N鎳鉻硅-鎳硅J鐵-銅鎳合金（康銅）T銅-銅鎳合金（康銅）

鉑銠10—鉑熱電偶（S型）是貴重?zé)犭娕肌＿@種熱電偶復(fù)制精度和測量準(zhǔn)確度較高，在1300℃以下的范圍內(nèi)可長時間使用，在氧化性或中性介質(zhì)中具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，可用于精密溫度測量。其主要缺點(diǎn)是金屬材料的價(jià)格昂貴，熱電靈敏度低，熱電特性非線性較大，在高溫時易受還原性氣體發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質(zhì)，失去測量準(zhǔn)確度。鉑銠30--鉑銠6熱電偶（B型）也屬貴重?zé)犭娕?，它具有S型熱電偶的各種特點(diǎn)。兩個鉑銠電極抗污染能力強(qiáng)，長期使用溫度可達(dá)1600℃。這種熱電偶產(chǎn)生的熱電勢很?。ㄔ谒袠?biāo)準(zhǔn)化熱電偶中熱電勢為最?。?，當(dāng)測量溫度小于50℃時，熱電勢小于3μv，因此在測量高溫時可不考慮自由端的溫度補(bǔ)償。

鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）是一種使用十分廣泛的賤金屬熱電偶。熱電極材料具有較好的高溫抗氧化性，長時間測量900℃以下的溫度，這種熱電偶還具有復(fù)現(xiàn)性好，產(chǎn)生的熱電勢大，而且線性好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。雖然測量精度偏低，但完全可以滿足一般工業(yè)測量要求。它的主要缺點(diǎn)是用于還原性介質(zhì)中電極會受到腐蝕，這種情況下只能用于測量500℃以下的溫度。鎳鉻—銅鎳熱電偶（E型）在我國通常稱為鎳鉻—康銅熱電偶。這種熱電偶熱電靈敏度大，在所有標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中為最大，可測量微小變化的溫度，另外它可在高濕度氣體環(huán)境中使用。其缺點(diǎn)是銅鎳合金難于加工，熱電均勻性較差，不能用于還原性介質(zhì)中。工業(yè)用熱電偶測溫范圍4.熱電偶冷端溫度補(bǔ)償(1)0C恒溫法這種方法是將熱電偶的參比端保持在穩(wěn)定的0C環(huán)境中。1-冰水混合體；2-保溫瓶；3-水銀；4-蒸餾水；5-試管；6-蓋；7-銅導(dǎo)線；8-顯示儀表圖4.5冰點(diǎn)槽（2）參比端溫度修正法當(dāng)熱電偶參比端為不等于0C時，需對儀表的示值加以修正，因?yàn)闊犭娕嫉臏囟龋瓱犭妱觿蓐P(guān)系以及分度表是在參比端為0C得到的。修正公式：（3）電橋補(bǔ)償法（4）補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)用所謂補(bǔ)償導(dǎo)線就是用熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成導(dǎo)線．用它將熱電偶的參比端延長到需要的地方，而且不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差。隨著熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化，補(bǔ)償導(dǎo)線也形成了標(biāo)準(zhǔn)系列。國際電工委員會也制定了國際標(biāo)準(zhǔn)，適合于標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶使用。補(bǔ)償導(dǎo)線：一對廉價(jià)的金屬導(dǎo)線，它的熱電特性在一定的溫度范圍內(nèi)與熱電偶相同或基本相同，這對金屬導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。作用：延長熱電極。類型：延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線。延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線用字母“X”表示，延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線材料與熱電偶電極的材料相同；補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線用字母“C”表示。在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時應(yīng)注意以下問題：①補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍（一般為0～100℃）內(nèi)使用；②不同型號的熱電偶應(yīng)配用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；③補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極應(yīng)分別與熱電偶的正、負(fù)極相連；④熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線相連的兩個接點(diǎn)應(yīng)保持相同的溫度。范例舉例例用鎳鉻-銅鎳熱電偶測量某加熱爐的溫度。測得的熱電勢E（t，t1）＝66982μV，而自由端的溫度t1＝30℃，求被測的實(shí)際溫度。解

由附錄可以查得

則再查附錄可以查得68783μV對應(yīng)的溫度為900℃。39

由于熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢與溫度之間的關(guān)系都是非線性的（當(dāng)然各種熱電偶的非線性程度不同），因此在自由端的溫度不為零時，將所測得熱電勢對應(yīng)的溫度值加上自由端的溫度，并不等于實(shí)際的被測溫度。譬如在上例中，測得的熱電勢為66982μV，由附錄可查得對應(yīng)溫度為876.6℃，如果再加上自由端溫度30℃，則為906.6℃，這與實(shí)際被測溫度有一定誤差。其實(shí)際熱電勢與溫度之間的非線性程度越嚴(yán)重，則誤差就越大。405.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個主要部分組成。按用途和結(jié)構(gòu)分:普通熱電偶鎧裝熱電偶薄膜熱電偶薄膜熱電偶6.熱電偶測溫線路測量某一點(diǎn)的溫度圖1a、b都是一支熱電偶和一個儀表配用的連接電路，用于測量某一點(diǎn)的溫度。AB為熱電偶，為補(bǔ)償導(dǎo)線。

圖1測量某點(diǎn)溫度

圖2測量兩點(diǎn)溫差

測量兩點(diǎn)之間的溫度差

圖2是用兩支熱電偶和一個儀表配合測量兩點(diǎn)之間溫差的線路。圖中用了兩支型號相同的熱電偶并配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線。工作時，兩支熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢方向相反，故輸入儀表的是其差值，這一差值正反映了兩支熱電偶熱端的溫差。為了減少測量誤差，提高測量精度，要盡可能選用熱電特性一致的熱電偶，同時要保證兩熱電偶的冷端溫度相同。熱電偶并聯(lián)線路

熱電偶串聯(lián)線路

圖3熱電偶并聯(lián)

圖4熱電偶串聯(lián)

用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量某爐溫的測量系統(tǒng)如圖2所示，已知：冷端溫度固定在0℃，t0＝30℃，儀表指示溫度為210℃，后來發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補(bǔ)償導(dǎo)線，相互接錯了，問：爐溫的實(shí)際溫度t為多少度?如圖所示測溫線路，A，B為K分度號的熱電偶，A‘，B’為K分度號的熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，C為銅導(dǎo)線。已知t1=500℃，t0=25℃，ΔE=2.128mv求：t2=？

四、電阻溫度計(jì)利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫度計(jì)稱為電阻溫度計(jì)。大多數(shù)金屬在溫度升高1C

時電阻將增加0.4％～0.6％。但半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高1C

，電阻約減小2％～6％。目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳，它們已得到廣泛的應(yīng)用。1．金屬熱電阻

測溫原理

基于電阻的熱效應(yīng)對熱電阻材料的要求

電阻溫度系數(shù)電阻比

熱電阻的類型、分度號及其特性

鉑電阻溫度計(jì)鉑是一種貴金屬。它的特點(diǎn)是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)約1200C以下都能保證上述特性。鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可制成很細(xì)的鉑絲(0.02mm或更細(xì))或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此普遍認(rèn)為是一種較好的熱電阻材料。缺點(diǎn)：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較??；價(jià)格貴

在0C

以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線，其電阻溫度系數(shù)A為3.9×10－3/C

。我國已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)制作工業(yè)鉑電阻。按IEC標(biāo)淮，使用溫度已擴(kuò)大到-200～850C

，初始電阻有100和10兩種。在0～850℃范圍內(nèi)

在-200～0℃以內(nèi)

銅電阻溫度計(jì)(WZC)

在一般測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。它可用來測量－50～＋150C

的溫度，在這溫度范圍內(nèi)，銅電阻和溫度呈線性關(guān)系：A＝4.25～4.28×10-3/℃

銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率?。?/p>

所以制成相同阻值的電阻時，銅電阻絲要細(xì)，這樣機(jī)械強(qiáng)度就不高，或者就要長，使體積增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為150C

。但銅電阻價(jià)格便宜，因此仍被廣泛采用。國家標(biāo)準(zhǔn)初始電阻有100和50兩種。（2）熱電阻的結(jié)構(gòu)主要由感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成。（3）熱電阻的特點(diǎn)(與熱電偶相比)熱電阻測溫的優(yōu)點(diǎn)是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠(yuǎn)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(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵、有（會影響測量精度）自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。（4）熱電阻的測溫線路引線方式有兩線制、三線制及四線制二線制接法引線電阻不超過銅電阻R0的0.2%三線制接法

四線制接法電位差計(jì)測量電阻電路2、半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻是一種利用半導(dǎo)體制成的敏感元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。熱敏電阻因其電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；熱慣性小，反應(yīng)速度快；體積小，結(jié)構(gòu)簡單；使用方便，壽命長，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量等特點(diǎn)。熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系

式中，RT為溫度為T時的電阻值；B為常數(shù)，由材料、工藝及結(jié)構(gòu)決定。負(fù)特性的熱敏電阻的熱電特性曲線隨著溫度的增高阻值降低，具有負(fù)的溫度系數(shù)，測溫范圍-40～350℃。與金屬熱電阻比較：①電阻溫度系數(shù)大，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)約為-（3～6）%，金屬熱電阻約為0.4～0.6%。②電阻率大，可將電阻作的很大而體積很小，電阻阻值大，連接導(dǎo)線所用的電阻可忽略不計(jì)。③結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可用于測量點(diǎn)溫度④熱慣性?、莨に嚭突Q性差。

熱敏電阻圖示：五、光輻射測溫方法及儀表非接觸測溫主要是利用光輻射來測量物體溫度。任何物體受熱后都特有一部分的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。輻射能以波動形式表現(xiàn)出來，其波長的范圍極廣，從短波、x光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。而在溫度測量中主要是可見光和紅外光，因?yàn)榇祟惸芰勘唤邮找院?，多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使物體的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。1、熱輻射基本定律

（一）普朗克定律（二）維恩位移定律（三）斯忒潘—玻耳茲曼定律普朗克定律絕對黑體(簡稱黑體)的單色輻射強(qiáng)度E0(λ，T)與波長λ及溫度T的關(guān)系由普朗克定理描述

式中，為波長；c1為普朗克第一輻射常數(shù),c2為普朗克第二輻射常數(shù)，維恩位移定律在較小時，可以忽略上式中的“-1”，設(shè)為常數(shù)，普朗克定理簡化為維恩公式：

斯忒潘—玻耳茲曼定律斯式潘根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，物體的總的輻射出射度與溫度的四次方成正比。σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，σ＝(5.67032±0.00071)×10-8W／(m2·K4)實(shí)際物體多不是黑體，它們的輻射能力均低于黑體的輻射能力,稱之為灰體。用黑度系數(shù)ε來表示灰體的相對輻射能，則輻射出射度為2、輻射溫度計(jì)（1）全輻射溫度計(jì)全輻射溫度計(jì)是利用物體的溫度與總輻射出射度全光譜范圍的積分輻射能量的關(guān)系來測量溫度的。根據(jù)斯忒潘一玻耳茲曼定律總輻射出射度為：或只要采用敏感元件測量出這輻射功率的大小，就可以測量出被測對象的溫度。應(yīng)該注意的是儀表是以絕對黑體輻射功率與溫度的關(guān)系分度的，而實(shí)際使用時，被測物體并不是黑體，這樣測出的溫度自然要低于被測物體的實(shí)際溫度。我們一般把這個溫度稱為“輻射溫度”。式中，T和TF分別為物體的真實(shí)溫度和輻射溫度；T為溫度T時物體全輻射的黑度系數(shù)WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)圖1-物鏡；2-外殼；3-補(bǔ)償光闌；4-座架；5-熱電堆；6-接線柱；7-穿線套；8-蓋；9-目鏡；10-校正片；11-小齒軸（2）亮度溫度計(jì)亮度法就是測出物體在某一波長(或某一波段)上的輻射能量，經(jīng)輻射率εT校正來確定被測物體的溫度。燈絲隱滅式光學(xué)溫度計(jì)光電亮度溫度計(jì)燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)原理：由人眼對熱輻射體和高溫計(jì)燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進(jìn)行判斷，調(diào)節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實(shí)現(xiàn)溫度測量的。光學(xué)高溫計(jì)的示意圖如下圖所示：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測溫范圍廣（700~3200℃），一般可滿足工業(yè)測溫的準(zhǔn)確度要求。缺點(diǎn)：人眼觀察，并需用手動平衡，因此不能實(shí)現(xiàn)快速測量和自動記錄，且測量結(jié)果帶有主觀性。（3）顏色溫度計(jì)顏色溫度計(jì)就是通過兩個光譜能量比的方法來測量溫度的，所以也稱為比色溫度計(jì)。用這種方法測量非黑體溫度時得到的“顏色溫度”和真實(shí)溫度有差異。我們將顏色溫度定義為：絕對黑體輻射的兩個波長和的亮度比等于非黑體的相應(yīng)亮度變化時，絕對黑體的溫度就稱為這個非黑體的顏色溫度。顏色溫度計(jì)和光電亮度溫度計(jì)相似，也包含有光路系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)、單色器、光敏元件、放大器、顯示儀表等。它一般用一個開孔的旋轉(zhuǎn)調(diào)制盤進(jìn)行調(diào)制。在開孔上附有兩種顏色的濾光片，多選用紅色和藍(lán)色。經(jīng)調(diào)制后的單色紅光、藍(lán)光交替照在光敏元件上，使光敏元件輸出相應(yīng)的紅光和藍(lán)光的信號、再放大并經(jīng)過運(yùn)算后送到顯示儀表。。與光譜輻射溫度計(jì)相比，比色高溫計(jì)的準(zhǔn)確度通常較高、更適合在煙霧、粉塵大等較惡劣環(huán)境下工作。國產(chǎn)WDS—II光電比色高溫計(jì)的原理示意圖如圖所示。(4)紅外測溫紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。紅外測溫的特點(diǎn)：紅外測溫是非接觸測溫，特別適合用于較遠(yuǎn)距離的高速運(yùn)動物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量；紅外測溫反應(yīng)速度快，反映時間一般都在毫秒級甚至微秒級；紅外測溫靈敏度高；紅外測溫準(zhǔn)確度較高；紅外測溫范圍廣泛，可測攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍；紅外測溫方法，幾乎可在所有溫度測量場合使用。紅外測溫原理全輻射測溫是測量物體所輻射出來的全波段輻射能量來決定物體的溫度。它是斯蒂芬—玻爾茲曼定律的應(yīng)用，定律表達(dá)式為

W——物體單位面積所發(fā)射的輻射功率，數(shù)值上等于物體的全波輻射出射度；

——物體表面的法向比輻射率；

——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；

T——物體的絕對溫度(K)。紅外輻射測溫儀結(jié)構(gòu)原理如圖6-19所示紅外成像測溫儀紅外成像原理紅外攝像管：將物體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過電子系統(tǒng)放大處理，再還原為光學(xué)像的成像裝置。圖是熱釋電攝像管的結(jié)構(gòu)簡圖：紅外變像管：把物體紅外圖像變成可見圖像的電真空器件，主要由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，均安裝在高度真空的密封玻璃殼內(nèi)。固態(tài)圖像變換器：由許多小單元（稱為像元或像素）組成的受光面，各像素將感受的光像轉(zhuǎn)換為電信號后順序輸出的一種大規(guī)模集成光電器件。紅外成像儀AGA—750熱像儀工作原理框圖Ti30熱像儀Ti30熱像儀

【基本參數(shù)】

溫度測量范圍：-10°至250°C(14°to482oF)

精度：±2%或±2°C

重復(fù)精度：±1%或±1°C取較大者

NETD:200mK

溫度指示分辨率：0.1(°C)

【光學(xué)/IR】

頻譜范圍：7-14微米

目標(biāo)瞄準(zhǔn)：單波長激光點(diǎn)（符合IEC2類和FDAII類要求）

測量圓點(diǎn)最小直徑：距離61cm(24”)時為7mm(0.27”)

圖像禎頻：20Hz

視場(FOV)：水平17°x垂直12.8°

瞬時視場(IFOV)：1.9mrad

【儀器控制】

焦點(diǎn)：可聚焦從61cm(24”)至無窮遠(yuǎn)

溫標(biāo)：可選°C或oF

調(diào)色板：可選擇灰色、鐵紅或彩虹

測量模式：可選擇自動、半自動或手動

激光開關(guān):有

增益開關(guān)：有

熱級控制：有

液晶顯示屏背景燈：可選擇亮、暗或關(guān)閉

六.集成溫度傳感器測溫原理利用晶體管PN結(jié)的電壓電流特性與溫度關(guān)系。集成溫度傳感器是將感溫PN結(jié)及有關(guān)的電子線路集成在一個小硅片上，構(gòu)成一個小型化、一體化及多功能化的專用集成電路片。

美國AD公司生產(chǎn)AD590

我國生產(chǎn)SG509SL616等測量溫度在150℃以下如AD590電源電壓5-30V

測量溫度范圍-55-150℃類型采用晶體管組合集成的方法，可以制成電壓輸出或電流輸出的集成溫度傳感器。電流輸出型利用了兩個發(fā)射極面積不同的晶體管基極-發(fā)射極電壓差與溫度成線性關(guān)系的特性。

電路輸出電流

n為面積比K為波爾茲曼常數(shù)

q為電子電量

電壓輸出型

輸出電壓

七、新型溫度傳感器及其測溫技術(shù)

1、石英晶體溫度傳感器及其測溫技術(shù)2、光纖測溫3、一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20及其應(yīng)用石英晶體溫度傳感器及測溫技術(shù)工作原理

利用石英晶體固有頻率隨溫度而變化的特性來測溫的儀器，稱為石英溫度計(jì)。石英的固有振動頻率可用下式表示：

f——固有振動頻率；n——諧波次數(shù)；

b——振子的厚度；ρ——密度；

C——彈性常數(shù)

石英振子的頻率還與溫度具有下列近似關(guān)系：

f0——在溫度為t0時的頻率; ft——在溫度為t時的頻率；

t0——基準(zhǔn)參考溫度; α，β，γ——一次、二次、三次冪的溫度系數(shù)。石英晶體傳感器結(jié)構(gòu)石英溫度計(jì)通常采用石英振蕩器，構(gòu)成一個決定頻率的諧振回路，而石英振子部分，通常采用易接受溫度變化的結(jié)構(gòu)。石英傳感器的結(jié)構(gòu)通常采用如圖所示。

石英溫度傳感器1-石英片、2-支柱、3-電極石英溫度計(jì)主要性能指標(biāo)高分辨率0.001～0.0001℃

；高精確度；高穩(wěn)定度；熱滯后誤差小，可以忽略；遠(yuǎn)距離(如1500m)傳送溫度測量信號；其精度和穩(wěn)定性可以作為溫度量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)及次級標(biāo)準(zhǔn)使用。不足：抗沖擊性能差。溫度計(jì)的標(biāo)定溫度計(jì)的測溫范圍為-80~0℃；測溫的不確定度為15mK；分辨率為2~0.2mK，標(biāo)定時選用水三相點(diǎn)溫度作為基準(zhǔn)參比溫度t0，以一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)，在恒溫槽中與石英溫度計(jì)作比較檢定。最后用最小二乘法擬合頻率溫度關(guān)系式，求出α、β、γ三個溫度系數(shù)。標(biāo)定后的石英溫度計(jì)就可投入使用。光纖測溫概述光導(dǎo)纖維是一種利用光完全內(nèi)反射原理而傳輸光的器件。一般光導(dǎo)纖維是用石英玻璃制成，通常有三層組成：最里面直徑僅有幾十微米的細(xì)芯稱芯子，其折射率為n1；外面有一層外徑為100～200微米的包層，其折射率為n2，通常n2略小于n1

；芯子和包層一起叫做心線；心線外面為保護(hù)層，其折射率為n3，與溫度測量有關(guān)的光導(dǎo)纖維的特征參數(shù)主要是數(shù)值孔徑NA，其表達(dá)式為

NA大，表示可以在較大入射角范圍內(nèi)輸入并獲得全反射光；它與心線直徑無關(guān)，僅與它們材料的折射率有關(guān)。一般光學(xué)玻璃組成的光纖，其NA約為0.4左右；而石英玻璃組成的光纖，其NA約為0.25左右。光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)而構(gòu)成的新型測溫傳感器，它有接觸式和非接觸式等多種型式。光纖傳感器由光源激勵、光源、光纖(含敏感元件)、光檢測器、光電轉(zhuǎn)換及處理系統(tǒng)和各種連接件等部分構(gòu)成。功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳感器是由光纖本身感受被測目標(biāo)物體的溫度變化，并引起傳輸光的相應(yīng)變化，然后據(jù)此確定被測目標(biāo)物體的溫度高低與發(fā)生變化的位置。分類：黑體輻射型喇曼效應(yīng)型黑體輻射型工作原理是基于光纖芯線受熱產(chǎn)生黑體輻射現(xiàn)象來測量被測物體內(nèi)熱點(diǎn)的溫度。光纖溫度傳感器的熱輻射能量取決于光纖溫度、發(fā)射率與光譜范圍。熱物體在λ1~λ2波長范圍內(nèi)，傳到光纖端部的輻射通量密度為：喇曼(Raman)效應(yīng)是一種利用光纖材料內(nèi)分子相互作用調(diào)制光線的非線性散射效應(yīng)。這種散射光的波長會在兩個方向上變化，即長波方向(稱Stockes線)和短波方向(稱為反Stockes線)。Stockes輻射強(qiáng)度與反Stockes輻射強(qiáng)度之比為熱力學(xué)溫度的函數(shù)，可用來測定熱點(diǎn)的溫度；再測量光波傳輸?shù)臅r間，就能確定其位置。喇曼效應(yīng)型液晶光纖溫度傳感器熒光光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖溫度傳感器光纖輻射型溫度傳感裝置非功能型光纖溫度傳感器液晶光纖溫度傳感器利用液晶的“熱色”效應(yīng)而工作。例如在光纖端面上安裝液晶片，在液晶片中按比例混入三種液晶，溫度在10℃~45℃范圍變化，液晶顏色由綠變成深紅，光的反射率也隨之變化，測量光強(qiáng)變化可知相應(yīng)溫度，其精度約為0.1℃。不同型式的液晶光纖溫度傳感器的測溫范圍可在-50℃~250℃之間。液晶光纖溫度傳感器熒光光纖溫度傳感器的工作原理是利用熒光材料的熒光強(qiáng)度隨溫度而變化，或熒光強(qiáng)度的衰變速度隨溫度而變化的特性，前者稱熒光強(qiáng)度型，后者稱熒光余輝型。其結(jié)構(gòu)是在光纖頭部粘接熒光材料，用紫外光進(jìn)行激勵，熒光材料將會發(fā)出熒光，檢測熒光強(qiáng)度就可以檢測溫度。熒光強(qiáng)度型傳感器的測溫范圍為-50℃~200℃；熒光余輝型溫度傳感器的測溫范圍為-50℃~250℃。熒光光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體的光吸收響應(yīng)隨溫度高低而變化的特性，根據(jù)透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)變化檢測溫度。溫度變化時，半導(dǎo)體的透光率亦隨之變化。當(dāng)溫度升高時，其透過光強(qiáng)將減弱，測出光強(qiáng)變化就可知對應(yīng)的溫度變化。這類溫度計(jì)的測溫范圍為-30℃～300℃。半導(dǎo)體光纖溫度傳感器光纖輻射型溫度傳感裝置的工作原理和普通的輻射測溫儀表類似，它可以接近或接觸目標(biāo)進(jìn)行測溫。目前，因受光纖傳輸能力的限制，其工作波長一般為短波，采用亮度法或比色法測量。光纖輻射型溫度傳感裝置光纖測溫技術(shù)及其應(yīng)用對采用普通測溫儀表可能造成較大測量誤差，甚至無法正常工作的強(qiáng)電磁場范圍內(nèi)的目標(biāo)物體進(jìn)行溫度測量。高壓電器的溫度測量。易燃易爆物的生產(chǎn)過程與設(shè)備的溫度測量。高溫介質(zhì)的溫度測量。功能型光纖溫度測量系統(tǒng)框圖非功能型光纖輻射溫度計(jì)FR1系列雙色光纖式測溫儀FR1系列雙色光纖式測溫儀

測溫儀測溫范圍：500~2500°C。這種測溫儀可測量處于十分惡劣的工業(yè)環(huán)境中的目標(biāo)，包括難以接近的，處于高溫的以及靠近強(qiáng)磁場的目標(biāo)。小巧焦距可選的光學(xué)頭，由柔軟可變形的光纖將其連接到安裝在遠(yuǎn)處的電子盒子。

FR1系列雙色光纖式測溫儀產(chǎn)品一般特性：

-光纜組裝系統(tǒng)可承受200°C(392°F)高溫，密封等級NEMA-4

-小于38mm(1.5英寸)的光纜彎曲半徑

-高光學(xué)分辨率(>60:1)可測小目標(biāo)

-快速響應(yīng)時間可達(dá)10毫秒

-雙向RS-485通訊（可組成多頭網(wǎng)絡(luò)）

-一個多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)支達(dá)持多32個馬拉松傳感頭

-同時模擬和數(shù)字輸出并帶用戶報(bào)警設(shè)定

-獨(dú)有的不潔窗口報(bào)警功能

-馬拉松軟件可遙控設(shè)置和監(jiān)測一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20及其應(yīng)用DS18B20的封裝與外部引腳DS18B20的主要功能和特點(diǎn)采用獨(dú)特的“一線制”通信方式，信號符合TTL電平邏輯;溫度測量范圍為-55oC～125oC;可編程的溫度轉(zhuǎn)換分辨率，可根據(jù)應(yīng)用需要在9Bit～12Bit之間選??；在12bit溫度轉(zhuǎn)換分辨率下，溫度轉(zhuǎn)換時間最大為750ms;DS18B20采用節(jié)能設(shè)計(jì)，在等待狀態(tài)下功耗近似為零。八、熱膨脹式測溫方法玻璃溫度計(jì)壓力溫度計(jì)雙金屬溫度計(jì)膨脹式測溫是基于物體受熱時產(chǎn)生膨脹的原理，分為液體膨脹式和固體膨脹式兩類。膨脹式溫度計(jì)種類很多，按膨脹基體可分成液體膨脹式玻璃溫度計(jì)、液體或氣體膨脹式壓力溫度計(jì)及固體膨脹式雙金屬溫度計(jì)。玻璃溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì)簡稱玻璃溫度計(jì)，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計(jì)最常用的液體，其凝固點(diǎn)為-38.9℃、測溫上限為538℃。玻璃溫度計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，價(jià)格低廉，測溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場直接讀數(shù)，一般無需能源，易破損，測溫值難自動遠(yuǎn)傳記錄。玻璃溫度計(jì)的分類：全浸式：測溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。局浸式：讀數(shù)容易，但測量誤差較大，即使采取修正措施其誤差比全浸式仍要大好幾倍或更多。V形工業(yè)玻璃溫度計(jì)產(chǎn)品名稱:A系列V形工業(yè)玻璃溫度計(jì)

產(chǎn)品型號:JWV-A

詳細(xì)說明:主要應(yīng)用于海輪內(nèi)燃機(jī)，石油和天然氣輸送管道及一些加熱、制冷設(shè)備。它繼承了傳統(tǒng)玻璃溫度計(jì)的準(zhǔn)確性和直接性，同時又增加了堅(jiān)韌性