第11章-溫度測量技術課件

11.1概述

溫度是用來定量地描述物體冷熱程度的物理量，溫度是建立在熱平衡基礎上的。

◆人類一直在探索如何測量溫度。

人體是一種測溫儀:

●精度低

●量程小7/21/20231

11.1概述缺點:受氣壓影響最早使用儀器來測量溫度的是伽利略1592年底，伽里略發(fā)明了第一個用來測量溫度的儀器。7/21/20232◆1624年溫度計第一次正式在文獻里出現。◆1654年意大利的一個公爵費迪南德二世做成了一個真正不受氣壓影響的溫度計◆開爾文、牛頓等建立了各種溫標:

絕對溫標、攝氏溫標、華氏溫標

11.1概述7/21/20233★接觸式測溫

基于熱平衡原理，即測溫敏感元件必須與被測介質接觸，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)。

如水銀溫度計、熱電偶溫度計、電阻溫度計?！锓墙佑|式測溫利用物質的熱輻射原理，測溫元件不需與被測介質接觸。如:輻射溫度計、紅外熱象儀等。溫度測量方法可分為：

接觸式、非接觸式

11.1概述7/21/20234(本課程主要介紹接觸式測溫原理及方法)

★熱電式傳感器:將溫度變化轉換為電量變化的裝置

◆較普通的熱電式傳感器將溫度量轉換為電勢和電阻?！舫Ｓ脽犭娛絺鞲衅鞯拿舾性校?/p>

熱電偶、熱電阻●熱電偶：將溫度轉換為電勢之變化●熱電阻：將溫度轉換為電阻阻值之變化

11.1概述7/21/2023511.2電阻溫度計★電阻溫度計原理基于導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質而工作的。

★測溫敏感元件有:

金屬導體、半導體熱敏電阻。7/21/20236一、金屬測溫電阻(金屬熱電阻)一般金屬導體具有正的電阻溫度系數（電阻率隨溫度的上升而增加），在一定的溫度變化范圍內，電阻和溫度之間的函數關系：其中：R、R0分別表示溫度為t和t0時的電阻值;α為材料的電阻溫度系數，α=(4~6)×10-3/0C。

在不同溫度范圍內，電阻溫度系數α是不同的，希望在測量溫度的范圍內α是一個常數。11.2電阻溫度計7/21/20237★熱電阻材料應具備以下性質：

1）電阻溫度系數α要大；

2）在測量范圍內，材料的物理、化學性質穩(wěn)定；3）電路率ρ要大，可提高溫度計的動態(tài)響應；4）電阻溫度關系線性好；5）材料要容易制作，價格便宜。

★常用材料有：鉑、銅、鐵、鎳等。

★熱電阻的制作是用上述金屬的細絲繞在云母、石英或陶瓷等絕緣支架上。11.2電阻溫度計7/21/20238二、半導體熱敏電阻★熱敏電阻是由金屬氧化物(NiO,MnO2,CuO,TiO2)粉末按一定比例混合燒結而成的半導體。★電阻值隨溫度上升而下降，具有負溫度系數:

T是絕對溫度K；A、B是常數，B單位是K?！镫娮铚囟认禂担簡挝粶囟茸兓鸬碾娮璧南鄬ψ兓?1.2電阻溫度計7/21/20239◆半導體熱敏電阻的電阻溫度系數α不是常數，而和絕對溫度的平方成反比?！舢擳=T0時有電阻R0；當T=T時有電阻R（1）（2）11.2電阻溫度計7/21/202310◆電阻值R與溫度T的關系：11.2電阻溫度計◆常數B可通過實驗獲得：(即只要測定溫度分別為T1和T0時半導體的熱敏電阻的阻值R1和R0)(B的范圍一般為1500~50000K)7/21/202311★半導體熱敏電阻與金屬熱電阻相比,有以下優(yōu)點：1）溫度系數的絕對值較熱電阻大，靈敏度高，可測0.001~0.00050C的微小溫度變化；2）電阻率大，時間常數小(毫秒級)。可制成體積小、熱慣性小、響應速度快的感溫元件?！锇雽w熱敏電阻缺點：1)電阻溫度特性分散性大；2)穩(wěn)定性差；3)非線性較嚴重。11.2電阻溫度計7/21/202312三、電阻測定1.測量方法

可采用電橋測定熱電阻的電阻值2.常用電橋測熱阻存在的問題(二線接橋法)11.2電阻溫度計▲注意：將熱電阻接到電橋的導線會產生附加電阻r1、r2，這是產生測量誤差的一個重要原因。7/21/2023133.采取的技術措施

(可采用三線接橋法及四線接橋法)11.2電阻溫度計用具有相同溫度特性的導線r1、r2分別接到兩個鄰臂上，因而可互相抵消，而第三根線與負載電阻RL相串聯，由于負載的輸入阻抗都很大，r3則可忽略不計。7/21/20231411.3熱電偶熱電偶：將溫度量轉換為電勢大小的熱電式傳感器★熱電偶具有以下特點：

結構簡單，使用方便，精度高，熱慣性小，可測局部溫度和便于遠距離傳送與集中檢測。7/21/20231511.3熱電偶一、工作原理(席貝克效應)▲兩種不同材料的導體A和B串聯起來形成一個閉合回路，如果兩個接合點的溫度不同，電路中將產生熱電勢，并形成熱電流?！鵁犭妱莸拇笮∨c材料的性質及接點的溫度有關，稱為溫差熱電效應或熱電效應，該現象是1821年德國物理學家Secback發(fā)現的?！餆犭妱菘捎煤瘮店P系式表示：EAB=f(T,T0)若知道EAB,T0,即可利用熱電效應來測溫或溫度差。7/21/202316★

定義：這兩種不同導體的組合體稱為熱電偶?！鴥蓚€連接端點,一個稱為工作端T,另一個稱為自由端或參考端T0或冷端,兩根金屬絲稱之為熱電極。11.3熱電偶7/21/202317★溫差電勢是如何產生的？

溫差電勢是由兩種導體的接觸電勢（珀耳貼電勢）與同一種導體的溫差電勢（湯姆遜電勢）所組成的。1.接觸電勢（珀耳貼電勢）不同導體自由電子的密度是不同的,當兩種不同導體接觸時,在接觸面上將產生電子擴散,電子擴散的速率與自由電子的密度及接觸區(qū)的溫度成正比。11.3熱電偶7/21/20231811.3熱電偶接觸面上金屬A的電子擴散到B，A失去電子帶正電，B因獲得電子帶負電，在接觸面上形成了靜電場，這個靜電場將阻止擴散過程的進行，當自由電子密度的不同引起的擴散能力與靜電場的作用相互抵消時，達到了動平衡，在接觸面上形成一個穩(wěn)定的接觸電位差。自由電子密度nA＞nB7/21/202319EAB(T)為導體A和B的接點在溫度為T時形成的電位差。其中：e—電子的電荷e=1.6×10-19庫侖k—波爾茲曼常數k=1.38×10-23(焦耳/庫侖)EAB(T)和連接點的溫度T有關，因此當兩種金屬接成閉合回路而連接點的溫度又不同時，回路中將形成接觸電勢。11.3熱電偶7/21/2023202.同一種金屬的溫差電勢（湯姆遜電勢）

在同一導體中，存在溫度梯度時，會產生溫差電勢。

▲兩端的溫度不一致時，高溫端的自由電子具有的動能大，向低溫端擴散，跑到低溫端去堆積起來，在導體內形成一個靜電場，阻止電子擴散，當兩者的作用相互抵消時，在導體兩端就形成一個穩(wěn)定的電位差。11.3熱電偶7/21/202321★作為熱電偶的材料應具備以下特性：

1）物理性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內使用，熱電性質不隨時間變化；

2）化學性能穩(wěn)定，不易被氧化或腐蝕；

3）靈敏度要高，且有近似的線性關系；

4）電導率高，電阻溫度系數??；

5）材料的復制性和工藝性能良好。11.3熱電偶7/21/202322二、熱電偶的基本實驗定律1.均質導體定律

▲由一種均質導體組成的閉合回路，不論回路中是否存在溫度梯度，都不會產生熱電勢。

它說明：①熱電偶必須由兩種不同性質的熱電極組成；

②提供了一種檢查熱電極材料均勻性的辦法。11.3熱電偶7/21/2023232.熱電勢定律★熱電偶的熱電勢只和接點溫度有關,而和其它部位的溫度無關?！f明：用熱電偶測溫時，只需要關注接點溫度，其他部位以及引線所處的溫度環(huán)境，都不會影響測量結果。11.3熱電偶7/21/2023243.中間導體定律★在熱電偶回路中加入第三種均質材料，只要它的兩個接點溫度相同，則對回路的熱電勢沒有影響。▲它說明：第三種均質材料可以是接在兩個熱電極之間，也可接在某個熱電極之中，因此在用熱電偶測溫時，只要保證熱電偶和連接后續(xù)測量電路或儀表的引線的兩個接點溫度相同，接入電路或儀表都不會影響熱電勢的數值。11.3熱電偶7/21/2023254.標準電極定律(參考電極定律)

★有三種金屬A、B、C兩兩相接，當接點溫度分別為T1和T2時，金屬A和C的熱電勢為EAC，金屬C和B的熱電勢為ECB，則金屬A和B的熱電勢：

EAB=EAC+ECB11.3熱電偶7/21/2023265.中間溫度定律★某熱電偶接點溫度為T1和T2時的熱電勢為E1，接點溫度為T2和T3時的熱電勢為E2，則當接點溫度為T1和T3時的熱電勢為E1+E2。11.3熱電偶7/21/202327★該定律的兩點啟發(fā)：

1）熱電偶的分度都是在冷端為00C的條件下制定的，當冷端溫度不是零度時，也可使用該分度表?！缬勉~-鎳熱電偶測定某未知溫度，冷端溫度取200C，測得的熱電勢E2為6.418mV，而當接點溫度為200C和00C時可查表得熱電勢為E1=0.789mV，則接點溫度為00C和未知測量溫度時有E3=E1+E2=7.207mV，由此可查出響應的溫度值為1600C

11.3熱電偶7/21/2023282）使用補償線法為使熱電偶冷端溫度保持不變，不受熱源的影響，往往需要使冷端遠離工作點，為了不使用過多的貴重的熱電偶導線，往往采用價格低廉的導線來替代部分熱電偶導線，如圖。A’、B’這就是補償線法。要求補償導線的熱電性質與所用熱電偶相同或相近。11.3熱電偶7/21/202329在溫度T2-T0的范圍內，要求

EAB（T2，T0）=EA‘B’（T2，T0）由中間溫度定律：

EAB（T1，T0）=EAB（T1，T2）+EA‘B’（T2，T0）=EAB（T1，T2）+EAB（T2，T0）11.3熱電偶7/21/202330◆說明：1)用補償導線后，不管T2部分溫度如何變化，用補償導線測得的結果和原來的貴重熱電偶絲結果是一樣的；2)使用時應注意補償線不要接錯極性。11.3熱電偶7/21/202331三、熱電偶的類型及結構1.熱電偶的類型按照國際計量委員會規(guī)定的《1990年國際溫標》標準，規(guī)定了8種通用熱電偶。①鉑銠10-鉑熱電偶（分度號為S）正板：鉑銠合金絲；負板：鉑絲②鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號為K）正板：鎳鉻合金；負板：鎳硅合金③鎳鉻-康銅熱電偶（分度號為E）正板：鎳鉻合金；負板：康銅11.3熱電偶7/21/2023321.熱電偶的類型④鉑銠30-鉑銠b熱電偶（分度號為B）正板：鉑銠30合金（70%鉑、30%銠）；負板：鉑銠b合金（94%鉑、6%銠）。⑤鎢錸熱電偶（高溫熱電偶）正板：鎢錸合金（95%鎢、5%錸）；負板：鎢錸合金（80%鎢、20%錸）。該傳感器可測量溫度3000℃。11.3熱電偶7/21/2023332.熱電偶的結構形式①普通熱電偶圖11-1普通熱電偶1-熱電極2-絕緣套管3-保護管4-接線盒5-接線盒蓋11.3熱電偶7/21/2023342.熱電偶的結構形式②鎧裝熱電偶（a）碰底型（b）不碰底型（c）裸露型（d）帽型圖11-2鎧裝熱電偶示意圖11.3熱電偶7/21/2023352.熱電偶的結構形式③薄膜熱電偶圖11-3片狀薄膜熱電偶結構圖1-測量接點2-薄膜A3-薄膜B4-襯底5-接頭夾11.3熱電偶7/21/2023362.熱電偶的結構形式④表面熱電偶

具有永久性安裝和非永久性安裝兩種，用于測量金屬塊、爐壁、渦輪葉片等固體的表面溫度。⑤浸入式熱電偶

用于測量銅水、鋼水、鋁水及熔融合金的溫度，可直接插入液態(tài)金屬中。11.3熱電偶7/21/202337四、熱電勢的測量方法PP275～277（自學）五、熱電偶測溫中的幾個技術問題1.熱電偶測溫的系統(tǒng)組成熱電偶冷端溫度的控制和補償 水槽法自然恒溫法11.3熱電偶7/21/202338水槽法如上圖。將電極放在一盛滿變壓器油的試管中，再將試管放在冰水混合物中。自然恒溫法：將電極放置在一已知恒定溫度的地方11.3熱電偶7/21/2023392.標定方法1）直接標定法（非標準熱電偶）將工作熱電偶與標準的測溫系統(tǒng)一起測定同一個靜態(tài)熱源的溫度，就可以用兩個顯示的數值來確定工作熱電偶的熱電勢與溫度的對應關系。

7/21/2023402）間接標定法（電標定法）若工作熱電偶的熱電特性完全和分度表規(guī)定的一樣，則可以用間接標定法（電標定法）。11.3熱電偶7/21/2023413.溫度測量系統(tǒng)的動態(tài)誤差熱電偶是一種一階線性系統(tǒng)，其工作狀態(tài)可以用一階微分方程來描述。待測溫度熱電偶的響應可試圖采用直徑盡量小的熱電偶絲來制作熱電偶。時間常數11.3熱電偶7/21/202342但這種熱電偶除制作困難外，機械強度