温度测量热电阻非接触.ppt

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1、第三节 热电阻测温 工业上广泛应用电阻温度计来测量200 500 之间的温度。特点:准确度高；在中低温下（500以下）测温,它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。组成:由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘套管和保护套管等主要部件组成。,一、测温原理 根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。实验证明，大多数金属导体当温度升高1时，其阻值要增加0.40.6，半导体的阻值要减小36。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。并不是任何材料都选用来制作热电

2、阻。对制作热电阻的材料有很多要求,其中有一点是选用的材料的电阻温度系数要大。,电阻温度系数的定义是：温度变化l时电阻值的相对变化量，用来表示，单位是-1，根据定义，用下式表示：一般材料的温度系数并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（R100R0）（R0100）代表0100之间的平均温度系数，其中R100表示100时的电阻值，R0表示0时的电阻值。为什么要求制作热电阻的材料的电阻温度系数要大？,二、标准化热电阻 1、铂电阻 特点：稳定性好、准确度高、性能可靠，在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系；纯度要求：铂的纯度常以R100/

3、R0来表示。对于工业用铂电阻，规定其R100/R0为1.385；分度号：Pt10和Pt 100；（注意10和100的含义）,分度关系：铂电阻的温度特性可用下列二式表示：在一2000之间 Rt=R0 1+At+Bt2+Ct3(t-100)在 0 850之间 Rt=R0(1+At+Bt2)以上两式中 Rtt时的电阻值；R00时的电阻值；A，B，C常数，对于工业用铂电阻，A 3.9080210-3-1，B 5.80210-7-2,C=4.2735010-12-4,2、铜电阻 特点：铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要

4、求不是很高、而且温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是一50 150。铜电阻的缺点是：在250以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电阻率比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。纯度：我国规定工业用铜电阻的R100/R01.428。分度号：铜电阻的分度号是Cu50和Cul00，表示其R0分别为50及100。,分度关系：铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)式中 Rtt时的电阻值；R00时的电阻值 A，B，C常数，对于工业用铜电阻，A 4.2889910-3-1,B 2.13310-7-2，C1.23310-9-3。由于

5、铜电阻的特性在 0100 之间基本上是线性的，所以在 0 100之间的温度特性可以用下式表示：Rt=R0(1+t）式中 0 100之间的温度系数，等于 4.28 10-3-1。,3、镍电阻 镍电阻的温度系数较大，因此其灵敏度比铂和铜的高。当温度超过200时，具有特异点，因此规定镍电阻的使用温度范围为一 60 180。镍电阻的电阻比R100/R01.617。由于镍电阻的制造工艺较复杂，很难获得相同的镍丝，因此它的测量准确度比铂电阻低，制定标准很困难，我国虽已规定它为标准化热电阻，但尚未制订出相应的标准分度表。它的分度号有Ni 100，Ni 300，Ni 500。对Ni 100而言，它的温度特性为

6、 Rt=100+At+Bt2+Ct4 式中：A，B，C为常数，对于R100/R0 1.618的镍电阻，A 0.5485-1；B 0.66510-3-1；C 2.80510-9-4。,三、半导体热敏电阻测温范围：一100 300材料：金属氧化物以一定比例混合分类：NTC、PTC、CTR结构：珠形、圆片形和棒型NTC的电阻温度特性:RT=AeB/T优点（与金属测温电阻相比）,四、工业用热电阻的结构 由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成。其中保护套管和接线盒的外形及其功能、要求和热电偶基本相同。1、绝缘骨架 绝缘骨架是用以缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架。它的质量影响热电阻的技术性

7、能。2热电阻体 3、引出线（l）两线制（2）三线制（3）四线制,4、铠装热电阻 铠装热电阻是将热电阻体（感温元件）焊到由金属保护套管、绝缘材料和金属导线三者经拉伸而成的细管导线上形成的，然后在外面再焊一段短管做保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头，其结构如图所示。,热电阻的结构,5、膜式铂电阻 为了提高铂电阻的抗震性和响应速度，研制出了膜式铂电阻。它分厚膜的与薄膜的两种。厚膜铂电阻是在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形成的。由于铂膜很薄，又在陶瓷基片表面上，所以测温响应时间很小，约为0.1s。薄膜铂电阻则是利用真空镀膜的方法将铂镀在陶瓷基片上形成的，其形状与厚膜的差不多，只是

8、尺寸更小，响应时间更短。,6、带热电阻、热电偶的一体化温度变送器 采用一个专用集成电路把热电阻或热电偶的输入信号（电阻或电势）转变成420mA的标准输出信号，其中与热电偶相配用的集成电路还有冷端温度补偿性能。有的专用集成电路还具有线性化功能，即将标准热电阻的电阻与温度之间的非线性关系转变成变送器输出电流（420mA）与被测温度之间的线性关系，或使热电偶所感受的温度与变送器输出电流（420mA）之间呈线性关系。专用集成电路的体积很小，因而可装在热电阻或热电偶的接线盒内。供电电压一般为直流24 V，多采用二线制，即供电线也就是输出信号线。装有显示仪表的一体化温度变送器可以就地显示温度值。这种一体化

9、温度变送器可应用于具大量温度测点的集控系统。,五、电阻的测量方法 对于热电阻阻值的测量,在实验室常用手动电位差计和手动平衡电桥,在工业上常采用不平衡电桥和自动平衡电桥。任何测量电阻的方法，都应注意：（1）通过热电阻的电流不能超过允许值；（2）连接导线的阻值要固定；（3）连接导线的接线方式要尽量能消除环境温度的影响（采用三线制和四线制接线方式）下面主要介绍电桥测量法。,1、用手动平衡电桥测电阻,原理图 三线制连接图,2、用自动平衡电桥测电阻,3、用不平衡电桥测电阻,配热电阻的动圈表XCZ-102,六、热电阻的校验工业热电阻的校验采用比较法。,复水器出口水温（热电阻）,第四节 接触测温方法的讨论

10、一、管内流体温度的测量,减小误差的方法（1）从热电偶的结构考虑（2）从温度计的安装方式考虑 各种测温管装置方案的测量误差比较,热套式热电偶1-热套式热电偶；2-充满介质的热套；3-保温层；4-安装插座,二、壁面温度测量采用热电偶来测量固体表面温度,（a）点接触（2）面接触（3）等温线接触（4）分立接触,三、高温气体温度测量,减小误差的方式（1）加防辐射隔离罩；（2）减小测温管的总辐射发射率；（3）采用双热电偶测温，通过计算消除误差；（4）采用抽气热电偶。,第五节 非接触式测温仪表 非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量，因此又称为

11、辐射式测温仪表。特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可高达2000以上；动态性能好，反应快等,可测运动物体的温度。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测700以上的高温。但用红外测量仪表，也可测低达100左右的温度。,一、辐射测温的基本原理 1.准备知识 辐射 热辐射 辐射出射度 指物体单位表面积在单位时间内所发射的全部波长范围的辐射能量的总和，并以符号M表示。光谱辐射出射度 物体单位表面积单位时间内在波长处的d波段内所辐射的能量为dM，则把 称为物体在波长处的光谱辐射出射度（又称单色辐射出射度）。黑体、白体、透体、黑度（发射率）

12、温度测量中，主要涉及的波长范围是可见光与0.7620m的红外光区。,辐射出射度M与光谱辐射出射度M之间存在如下关系：2.热辐射的基本定律(1)普朗克公式定律 普朗克定律给出了全辐射体的光谱辐射出射度与温度的关系，这是光学高温计和光电高温计等的理论基础。,在温度T3000K和可见光波长（波长较小）范围，该公式可以简化成维恩公式 对实际物体式中 M实际物体的光谱辐射出射度；实际物体在波长下的光谱发射率（光谱黑度）。,（2）斯忒藩一玻尔兹曼定律 可见，全辐射体的辐射出射度M0 是温度的单值函数，二者一一对应，这是辐射高温计的理论依据。实际物体的全辐射出射度为 MM0T4 式中 M实际物体的全辐射出射

13、度；实际物体的全辐射发射率（发射率）。实际物体的光谱发射率和发射率均小于1，各种物体的和值一般只能通过实测求得。,辐射式测温仪表可分为两大类。一类以某一波长下的光谱辐射（又称单色辐射）理论为基础，有光学高温计、光电高温计及比色高温计、红外测温仪等；另一类以全辐射理论为基础，全辐射高温计及部分辐射高温计属于此类。,二、光学高温计 1.理论依据：普朗克定律。在可见光的波长范围（0.350.75m）内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来，辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。在某一波长下的光谱辐射亮度（又称单色亮度）与同一波长下的光谱辐射出射度成正比。对全辐射体其关系为 对实际物体有,结论：在可见光

14、波长范围内的某一波长下，对一个确定的物体（可近似认为已固定不变），其光谱辐射亮度（即单色亮度）与温度之间存在单值对应关系。利用这个性质即可测温。但直接测光谱辐射亮度较难实现，光学高温计采用了的亮度比较的方法。2.结构 国产WGGZ型光学高温计是一种使用较广的隐丝式光学高温计。由光学系统与电气系统两部分组成。光学系统包括物镜、目镜、灯泡、红色滤光片、灰色吸收玻璃等。电气系统包括灯泡、电源、调整电阻及测量线路。,l一物镜；2灰色吸收玻璃；3一灯泡；4一目镜；5一红色滤光片；6一显示仪表思考：红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用是什么？,光学高温计必须在某一定的波长下进行单色亮度比较。光学高温计采用红色滤

15、光片与人眼构成了“单色器”，使人眼只能观察到波长为0.60.7m范围的红色可见光（如图阴影部分），其平均波长约为0.66m。人眼与红色滤光片配合的视见光谱范围 1一人眼相对视见函数曲线；2一红色滤光片光谱透过率曲线,灰色吸收玻璃的作用：光学高温计采用的是钨丝灯泡，当温度高达1400时，钨丝会发生升华使灯泡的性能改变。这就限制了光学高温计的测温上限。光学高温计附加了灰色吸收玻璃，单色光透过这种玻璃时其吸收作用会使亮度减弱。在结构上把灰色玻璃置于物镜与灯丝之间，这样人眼观察到的是灯丝的亮度和被灰色玻璃削弱了的被测物体的亮度,在灯丝温度不超过1400的情况下能测量更高的温度。,灯丝与物像亮度比（a）

16、灯丝亮度低（b）灯丝亮度偏高（c）灯丝和物象亮度一致（灯丝隐灭）光学高温计的优点：结构简单、测温上限高、在辐射式温度计中精确度与灵敏度均最高等优点。缺点：亮度比较的判断及调整均要人工进行，不能连续自动进行测量，同时带来人员的主观误差。另外，由于人眼只能看到可见光，这限制了被测物体的温度不能低于700。,3.光学高温计的几个有关问题:(1）亮度温度与示值的修正“亮度温度”的概念：如全辐射体的单色亮度与温度为T的实际物体的单色亮度相等，则全辐射体的温度称为该实际物体的亮度温度，并以Ts表示。根据亮度温度的定义，可推导物体实际温度T与其亮度温度的关系：由于 L=L0即 经整理可得 因为一般物体1，所

17、以 TTs。,光学高温计的标尺是直接按温度刻度的，即可直接读出温度值，而且分度是按全辐射体（即=1）的条件进行的，因此仪表显示的温度值实际上是在对应亮度下全辐射体的温度，也即亮度温度Ts。在测实际物体温度时，光学高温计的温度示值必须修正.（2）影响光学高温计测量精确度的因素 影响光学高温计测量精确度的因素比较多，主要有以下几个：1）发射率的影响 2）中间介质的影响,光学高温计,三、光电高温计 光电高温计由光学系统与测量、放大显示两大部分组成。这里介绍的国产WDL一31型光电高温计，其原理系统图如图所示。光电高温计具有以下优点。（l）既可在可见光，又可在红外光波长下工作，有利于用辐射法测低温；（

18、2）分辨率高，光学高温计最高为0.5，而光电高温计可达0.010.05；（3）精确度高，由于采用性能良好的干涉滤光片（或单色器），提高了仪表的单色性，因而不确定度减小。例如，2000时的不确定度可小到土0.25；（4）可连续自动测量，响应快。,四、辐射高温计 1.原理：物体的辐射出射度与其温度的关系为 M=T4 对确定的物体，可近似认为其发射率为定值，那么M与T将呈单值对应关系，测出辐射出射度M与其发射率即可知其温度。辐射高温计能连续自动测温。2.组成：辐射高温计由辐射传感器和显示仪表组成，辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成。前者的作用是接收并聚集辐射能；后者把辐射能转换成相应的电信

19、号以便由显示部分直接显示温度值。光学系统有透射式、反射式和混合式几类。辐射变换器主要有热电式和光电式两种。,辐射高温计的结构示意图（没有接显示仪表）（a）透镜式；（b）反射镜式；（c）透镜式辐射传感器全貌 l一物镜；2一外壳；3一光栏；4一热电堆；5一目镜；6一输出端子；7一保护玻璃；8一反射镜；9一小孔；10一云母片；11一铜壳；12一玻璃泡；13一铂黑片,3.光学高温计的几个有关问题（1）“辐射温度”的概念：若温度为T的物体的辐射出射度与全辐射体在温度T0下的辐射出射度相等，则把全辐射体的温度Tp称为该物体的辐射温度。由此定义可求出被测温度T与辐射温度Tp之间的关系：因 T4=Tp4有,仪

20、表的分度是把被测体作为全辐射体来实现的；仪表的示值就是被测物体的辐射温度；依据被测物体的发射率，利用上面的修正公式对示值进行修正得到被测物体的实际温度。（2）影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下：1）发射率的影响 2）热电堆冷端温度的影响 3）距离系数LD的影响 补偿光栏结构示意图 1-光栏；2-双金属片；3-铂箔,四、比色高温计1.原理 根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。根据光谱辐射的维恩公式，同一物体在波长分别为1和2下的光谱辐射出射度的比值为式中 M1、M2分别为在波长1和2下的光谱辐射出射度；1、2物体在波长1和

21、2时的光谱发射率；T物体的温度。,经整理，可得2.比色温度的概念 温度为T的物体在波长1和2下的光谱辐射出射度的比值，与温度为Tc的全辐射体在同样的波长1和2下的光谱辐射出射度的比值如果相等，则把全辐射体的温度称为该物体的比色温度。根据该定义，经过推导可得出物体温度T与它的比色温度Tc的关系为,3.结构 以WDS-型比色高温计为例，具体介绍比色高温计的工作原理。WDS型光电比色高温计的光路系统1一物镜 2一平行平面玻璃 3一回零通孔硅光电池 4一透镜 5一分光镜 6一红外滤光片7一硅光电池E2 8一硅光电池El 9一可见光滤光片 10一反射镜 11一倒像镜 12一目镜 4.特点 它的测量准确度

22、高，中间介质的影响小，可在恶劣环境下工作。,五、红外测温仪 红外测温仪是一种测温上限较低的仪表，可测0400范围的温度。而前面介绍的几种辐射式测温仪表适于测700以上的高温。红外测温仪依据的是光谱辐射原理。当物体温度较低时，光谱辐射出射度最高点向波长较长的红外线波长区迁移，红外测温仪就工作在这个红外线波长区。它的原理和结构与辐射高温计、光电高温计相似。红外测温仪由光学系统、红外探测器、信号处理放大部分及显示仪表等部分组成。,1.红外辐射及其特性 红外辐射又称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射是一种电磁波，它的波长范围大致在0.76m到1000m的频谱范围之内，相对应的频率大致在4101

23、431011Hz之间。,2、红外辐射源和红外探测器（1）红外辐射源 当物体温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空间辐射出来，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源。（2）红外探测器 红外探测器是能够把红外辐射能量的变化为电量变化的器件。分为红外热探测器和红外光子探测器。,红外热探测器 热电偶型探测器 热敏电阻型探测器 热释电型探测器 主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。但是，它的响应时间长，灵敏度较低，一般用于红外辐射变化缓慢场合。红外光子探测器 光电导（PC）探测器 光生伏特（PU）探测器 光磁电探测器（PEM器件）主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但其一般需在低温下工

24、作，探测波段较窄。,3.基本原理 以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系而制成的仪器。工作时，首先把物体发射的红外辐射能量搜集起来转换成电信号。然后，对电信号进行放大、处理，并利用物体温度与其辐射功率大小（目前都表现为信号电压高低）的一一对应关系，显示出物体温度的测量结果。4.基本结构 包括光学系统、红外探测器、电信号放大及处理系统、结果显示系统和其他附属部分（包括目标瞄准器、供电电源与整体机械结构）等几个主要功能部分。,红外测温仪工作原理示意图,5.红外测温仪的应用,在电力系统中的应用 在电力系统中主要使用便携式红外测温仪测量高压隔离开关接头和触头的温度、高压线夹的温度、设备引流接点的

25、温度等。在钢铁生产过程中的应用 在板坯、方坯连铸过程中，可安装比色测温仪或光纤比色测温仪测量铸坯表面的温度。钢材进入矫直机前需要加热，但温度不能超过l00，否则会损伤矫直机的压延轴。选用两台测温仪，探头装在距钢材2m高的位置上，测温仪420 mA信号输入微处理器，测温信号控制矫直机流程。,在交通运输中的应用 在火车和轮船运行过程中，可以用便携式测温仪测量发动机的温升情况，以便及时发现故障。在飞机发动机涡轮叶片、汽车齿轮箱、联轴器、刹车片、气缸活塞环等的实验室检验工作中也都有专门的红外辐射测温仪。监控轴承外圈感应加热温度 轴承外圈弯边部位仅为0.07 mm厚、2 mm高，目标较 小，加热时间只能在2 s内完成，而且零件在高速旋转，加热时还有烟雾，测温难度很大。根据目际小，响应速度要求快的特点，选用比色红外测温仪。在国防科研和生产中红外辐射测温更是重要的检测手段,美国RAYTEK公司的红外测温仪,