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1、自动检测技术及仪表,第4讲温度检测,温度测量基础热电偶测温原理及应用热电阻测温原理及应半导体式测温元件辐射式测温仪表通用式温度变送器温度显示记录仪表小结与习题,本章内容,热电式温度检测仪表,利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为热电阻温度计。大多数金属在温度升高1时电阻将增加0.4%0.6%。半导体电阻（热敏电阻）一般随温度升高而减小（也有随温度总价而增加的），其灵敏度比金属的高很多，温度每升高1，电阻约减小2%6%。,4.3.2.热阻式测温仪表,热阻式温度检测仪表,热电阻温度计最大的特点是测量精度高，在中低温段，其输出信号比热电偶大得多，性能稳定，灵敏度高，可在272110
2、0范围内测温。热电阻温度计输出为电信号，便于远传、多点测量和自动控制，不需要冷端温度补偿。缺点是需要电源激励，有自热现象、引线误差等影响测量精度。,热电阻材料特点,（1）高温度系数、高电阻率-灵敏度高，体积小（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良好的输出特性-线性，复现性；（4）良好工艺性-便于加工，价格较低；,热电阻材料特点,热阻式温度检测仪表,1）金属热电阻温度计,金属热电阻的测温原理是基于金属导体的电阻率随温度变化而变化的特性，只要测出热电阻阻值的变化，就可以得到被测温度。工业上常用的金属热电阻有铂电阻和铜电阻。,(1)铂电阻 铂是一种贵金属,它的特点是精度高，稳定性好，性
3、能可靠，尤其是耐氧化性能很强。铂在很宽的温度范围内（-2001200以下）都能保证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细)或极薄的铂箔。与其他材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。,热阻式温度检测仪表,铂电阻的缺点是其电阻温度系数比较小，价格贵。在2000范围内，铂电阻与温度的关系为：,(4-15),在0850范围内，铂电阻与温度的关系为。,(4-16),式中，R0温度为0时电阻值；Rt温度为t时得电阻值；A分度常数,A=3.90802810-3/；B分度常数,B=-5.775210-7/2；C分度常数,C=-4.183
4、510-12/4。,铂电阻的分度号为Pt100和Pt10两种，是指在0时铂电阻的阻值R0为100 和10。铂在高温下易受还原性介质污染，使铂丝变脆并改变电阻与温度间的关系，因此使用时应装在保护套管中。,热阻式温度检测仪表,(2)铜电阻 铜易于加工提纯，价格便宜，电阻与温度关系呈线性关系，在-50150测温范围内稳定性好。因此在一般测量精度要求不太高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。在-50+100测温范围内，铜电阻值与温度得线性关系为,(4-17),式中，R0温度为0时电阻值；Rt温度为t时得电阻值；铜电阻温度系数,=4.2510-3/。,铜电阻的分度号为Cu100和Cu50两种，是指在0时
5、铜电阻的阻值R0为100和50。,热阻式温度检测仪表,(3)热电阻的结构 工业用热电阻主要由电阻体、绝缘体、保护套管和接线盒等组成，如图2.14所示，通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置相连接的部件。工业热电阻具有普通型、铠装型和专用型等形式。,图4-24 工业用热电阻结构,热阻式温度检测仪表,1热电阻丝；2电阻体支架；3引线；4绝缘瓷管；5保护套管；6连接法兰；7接线盒；8引线孔。,普通型热电阻与普通热电偶的外形结构极为相似，保护套管和接线盒基本相同，只是热电阻体和引线方式与热电偶不同。热电阻体一般有热电阻丝和绝缘支架组成，如图2.15所示，电阻丝采用无感双线绕制在云母、石英或陶瓷支架上
6、，热电阻体装在保护套管内，电阻丝通过引出导线与接线盒内的接线柱相接，以便再与外接线路相连测量温度。,图4-25 热电阻感温元件的几种典型结构1外壳或绝缘片；2铂丝；3骨架；4引出线,(a)玻璃骨架,(b)陶瓷骨架,(c)云母骨架,热阻式温度检测仪表,铠装热电阻将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体，直径小，易弯曲，抗震性能好。专用热电阻用于一些特殊的测温场合，如端面热电阻由特殊处理的线材绕制而成，与一般热电阻相比，能更紧地贴在被测物体的表面；轴承热电阻带有防震结构，能紧密地贴在被测轴承的表面，用于测量带轴承设备的轴承温度。(4)热电阻的引线方式 热电阻温度计一般由热电阻、引线、连接
7、导线、测量桥路和显示仪表组成，热电阻作为测量桥路的一个桥臂电阻。引线是热电阻出厂时自身具备的，使热电阻丝能与外部测量桥路连接，通常位于保护套管内。,热阻式温度检测仪表,引线的电阻在环境温度变化的情况下会发生变化，对测量结果影响较大。目前常用的引线方式由两线制、三线制和四线制3种，如图4-26所示 两线制是指在热电阻体的两端各连接一根导线的引线方式，如图4-26(a)所示。这种引线方式比较简单，但由于两根引线都接在电桥的一个桥臂上，引线电阻及其变化值会给测量结果带来附加误差，适用于引线较短，测量精度要求不高的场合。,热阻式温度检测仪表,图4-26 热电阻的几种引线方式1热电阻感温元件；2、4引线
8、；3接线盒；5显示仪表；,热阻式温度检测仪表,(c),(b),(a),图4-27 热电阻的三线制引线原理图,热阻式温度检测仪表,图4-28 热电阻的三线制引线图,如图4-27及28所示，三线制是指在热电阻体的一端连接两根导线，另一端连接一根导线的引线方式。由于热电阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起连线电阻的变化对电桥的影响相互抵消，电源连线电阻的变化，对供桥电压影响是极其微小的，可忽略不计，因此这种引线方式可以较好地消除引线电阻的影响，测量精度比两线制高，应用比较广泛。工业热电阻通常采用三线制接法，尤其在测温范围窄、导线长、架设铜导线途中温度易发生变化等情况下，必须采用三线制接法。,热
9、阻式温度检测仪表,四线制是指热电阻体的两端各连接两根导线的引线方式，如图4-30所示。其中两根引线为热电阻提供恒流源，在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量。这种接线方式能完全消除引线电阻带来的附加误差，且在连接导线阻值相同时，也可消除连接导线的影响。这种引线方式主要用于高精度的温度检测。,热阻式温度检测仪表,图4-30 四线制接线法测量图,（1）热敏电阻的特点：热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件，由某些金属氧化物与其他画画无按不同的比例烧制而成。其特点是电阻率随温度变化显著,一般为金属电阻的410倍。还具有电阻率大，体积小，热惯性小，结构简单的特
10、点。,热阻式温度检测仪表,图4-31 不同形状的热敏电阻,2）半导体热敏电阻温度计,半导体热敏电阻的阻值随温度近似呈现指数变化，且复现性和互换性较差，其测温范围大约为:40350，已经大量用于家电及汽车等的温度检测与控制中。,热阻式温度检测仪表,（2）热敏电阻的分类：热敏电阻主要分为三种类型：正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和 临界温度系数(CTR)三种类型。在温度测量中,(NTC)使用的最多。,图4-32 不同热敏电阻的温度特性曲线,式中：分别为温度等于T和T0时热敏电阻的阻值，B的量纲为温度，一般为15006000K，取决于热敏电阻的材料。,热阻式温度检测仪表,(4-18),（3
11、）NTC型热敏电阻的特性：,NTC型热敏电阻主要由Mn,Co,Ni,Fe,Cu等过渡族金属氧化物烧结而成；改变其成分和配比，就可得到测温范围、阻值及温度系数都不同的NTC型热敏电阻。在一定的范围内，NTC型热敏电阻的温度特性符合：,热阻式温度检测仪表,(4-19),对上式求微分并除以RT，得到的是热敏电阻的温度系数：,由式可见：电阻温度系数并非常数，它随温度平方的倒数而变化，这就使得热敏电阻的灵敏度随温度的升高而迅速降低，从而限制了其在高温下的使用。测温范围大约为:-40350，已经大量用于家电及汽车等温度检测与控制中。,PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大的正温度特性，且有斜率最大的区域，当
12、温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。CTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高，是金属电阻的几十倍。主要用作温度开关。各种热敏电阻的阻值在常温下就很大（几K上百K），电阻随温度的变化率也很大，因此不必考虑导线电阻随温度变化对温度测量带来的影响，给使用带来很大的方便。,(4)其它热敏电阻的特性-参见图4-32,热阻式温度检测仪表,（5）热敏电阻的非线性的修正,利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称为线性化网络）来代替单个的热敏电阻。,在带有微处理机（或微计算机）的测量系统中，当已知热敏电阻器
13、的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值法将特性分段，并把各分段点的值存放在计算机的存储器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值。,4.3.3.集成温度传感器,集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系,把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上,构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点,由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150以下的温度。集成温度传感器的信号输出方式可分为：电压输出型和电流输出型，电压输出型输出电压信号，输出阻抗低，易于与其他设备或控制电路结合；电流输
14、出型输出阻抗甚高，可连接长度为数百米的导线，不必考虑导线电阻的影响。,1基本工作原理 目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。图4-34是集成温度传感器基本原理图。其中T1和T2是一对结构和性能完全匹配的晶体管,I1和I2分别是T1和T2管的集电极电流,由恒流源提供。,4-34,T1和T2管的两个发射极和基极电压之差Vbe可用下式表示,即:,(4-20),式中k-是波尔兹曼常数;q-是电子电荷量;T-是绝对温度;-是T1和T2管发射结的面积之比。从式中看出,如果保证I1/I2恒定,则Ube与温度T成单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原理,在此基础上可
15、设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器。,(1)电压输出型电压输出型集成温度传感器原理电路图如图 4-30 所示。当电流I1恒定时,通过改变R1的阻值,可实现I1=I2,当晶体管的1时,电路的输出电压可由下式确定,即:（4-21）若取R1=940,R2=30K,r=37,则电路输出的温度系数为:,（4-22）,（2）电流输出型如图 4-32，为电流输出型集成温度传感器的原理电路图。T1和T2是结构对称的两个晶体管,作为恒流源负载,T3和T4管是测温用的晶体管,其中T3管的发射结面积是T4管的8倍,即r=8。流过电路的总电流IT为:（4-23）式中当R和r一定时,电路的输出电流与温度
16、有良好的线性关系。若取R为358,则电路输出的温度系数为:,（4-24）,4-35,电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司生产的AD590,LM134/SL134 系列集成温度传感器,我国产的SG590也属于同类型产品。基本电路与图4-32一样,只是增加了一些启动电路,防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路,以进一步地提高性能。AD590的电源电压430V,可测温度范围-50+150。,电压输出型的有：LM35/45 系列温度传感器，以及LM135 系列集成温度传感器,温度检测仪表,4.4.辐射测温仪表 辐射测温是一种非接触测温，主要是利用物体的能量辐射来测量物体温度的方法。,采用辐
17、射测温时，辐射感温元件不与被测介质相接触，不会破坏被测温度场，可实现遥测；测量元件不必达到与被测对象相同的温度，可测量高温。因无接触，速度快，可以测量运动物体的温度。辐射测温适用于很宽的测量范围，可达到-503000，但影响测量精度的因素很多，应用技术较复杂。,温度检测仪表,4.4.1 辐射测温的基本原理 热辐射就是电磁波能量传递的过程。由于其内部带电粒子的热运动，就会带来向外发射不同波长的电磁波。任何物体只要温度高于绝对零度，就会就会发生带电粒子运动的现象，就会产生辐射现象。温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外
18、光一直到电磁波。在辐射温度测量中主要利用的是可见光和红外光。因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,温度检测仪表,图4-36波长分布,物体在不同的温度范围内，热辐射的电磁波波段也不同。,辐射测温的有效区段,4.4.2 辐射测温的基本概念：绝对黑体：一种理想的物体，它在任何温度下都能全部的吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量。非黑体：它们吸收、发射能量的能力总是要小于绝对黑体。,物体在接受外界辐射到其表面的辐射能量时，都具有吸收、反射或透射现象，可以用吸收率，反射率和透射率来描述：,4-25,温度检测仪表,4.4.3 热辐射基本定律1.基尔霍夫定律2.斯蒂
19、芬玻耳兹曼定律3.普朗克定律4.维恩位移定律基尔霍夫定律：该定律确定了物体热辐射的发射与吸收之间的关系：一个物体向周围辐射能量的同时，也从周围吸收其他物体幅射的能量；吸收辐射能量能力强的物体受热后辐射能量的能力也强。,温度检测仪表,它在任何温度下，黑体都能全部的吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量，所以其吸收率为1；非黑体的吸收比率小于1.,定义光谱吸收比 表示物体能够对辐射到它表面能量的吸收比率。,4-26,在热平衡时，物体向周围的辐射的功率等于它能够吸收的功率。,4-27,4-28,基尔霍夫还证明了物体辐射强度（出射度）与吸收比的比值是与波长和温度有关的普适函数.,辐射率：热辐射物体在温度
20、T时所有波长范围的辐射量与同温度下黑体的辐射量之比-该辐射体的黑度（辐射率）;光谱辐射率：单色辐射率-在温度T，辐射波长为时的辐射量与同样温度、波长黑体辐射量之比。实际物体的辐射率都是低于黑体的。黑度是物体的辐射能力接近黑体的程度。,温度检测仪表,根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度 与温度的四次方成正比。又称为黑体的全辐射定律：,2.斯蒂芬玻耳兹曼定律：,对于非黑体的一般物体：,4-29,4-30,温度检测仪表,3.普朗克定律（维恩公式）,绝对黑体可在全波长范围内辐射能量，但对不同的波长，其能量的分布并非一致，辐射能力不但与温度有关，且随热辐射的波长变化。,4-31,波长，c1-普朗克第一
21、辐射常数：c2-普朗克第二辐射常数：,当在3000K以下时，可用维恩公式近似：,温度检测仪表,普朗克公式也可以用亮度的形式表示：,4.维恩位移定律,热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，单色辐射峰值处的波长 与绝对温度T成以下关系:,对比前两式，得,4-32,4-33,4-34,用该式可以估计出物体的温度辐射所处于的波长的区域。,温度检测仪表,光谱发射峰值随着温度的增加向波长减小的方向移动。,辐射式温度检测仪表主要是应用上述定理实现温度测量。,图4-37辐射波长分布,物体在900K时暗红色，1200K是为亮红色，1400K是桔红色，2700K为呈白炽色。颜色的不同时由于在不同波长上辐射的相
22、对量不同。,温度检测仪表,辐射测温仪表主要由：光学系统、检测元件、转换电路和信号处理电路以及显示等部分组成。光学系统包括瞄准系统、透镜和滤光片等，把物体的辐射能通过透镜聚焦到检测元件上，再通过转换电路和信号处理电路将信号转换、放大、辐射率修正和标度变换等，输出被测温度相应的信号。,图4-38辐射式测温,温度检测仪表,辐射测温的常用方法有亮度法、全辐射法、比色法和多色法等。辐射测温仪表有全辐射高温计、光学高温计、光电高温计、比色高温计、红外探测器、红外测温仪、红外热像仪等。1)全辐射高温计 全辐射温度计由辐射聚集系统、感温器、显示仪表及辅助装置构成，如图4-3-4所示。被测物体的热辐射能量，经物
23、镜聚集在热电堆上(由一组微细的热电偶串联而成)，并转换成热电势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，用显示仪表进行指示记录。,温度检测仪表,图4-39 全辐射温度计的工作原理1被测物体；2物镜；3辐射感温器；4补偿光阑；5热电堆；6显示仪表,温度检测仪表,但所有非黑体物体的全发射率均小于1，则其幅射能量与温度之间的关系表示为:,图中补偿光阑由双金属片控制，当环境温度变化时，光阑相应调节照射在热电堆上的热辐射能量，以补偿因温度变化影响热电势数值而引起的误差。绝对黑体的热辐射能量与温度之间的关系（斯蒂芬-玻尔兹曼定律）为:,-黑度系数，反映了物体对黑体的接进程度。,4-35,4-36,温度检测仪表
24、,一般全辐射温度计选择黑体作为标准体来分度仪表，此时所测的是物体的辐射温度，即相当于黑体达到此辐射量时的某一温度TP。在辐射感温器的工作谱段内，当表面温度为TP的黑体的积分辐射能量和表面温度为T 的物体积分辐射能量相等时，即,则物体的真实温度为:,4-37,4-38,温度检测仪表,因此，当已知物体的全发射率和辐射温度计指示的辐射温度TP时，就可算出被测物体的真实表面温度。2)亮度式温度计 光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计之一。它结构简单，使用方便，测温范围广(7003200)，一般可满足工业测温的准确度要求。光学高温计目前广泛用于高温熔体、炉窑的温度测量，是冶金、陶瓷等工业部门十
25、分重要的高温仪表。,温度检测仪表,图4-40光学高温计,光学高温计是利用受热物体的单色辐射强度随温度升高而增加的原理制成的，由于采用单一波长进行亮度比较，因而也称单色辐射温度计。物体在高温下会发光，也就具有一定的亮度，物体的亮度与其辐射强度成正比，所以受热物体的亮度大小反映了物体的温度。通常先得到被测物体的亮度温度，然后转化为物体的真实温度。,温度检测仪表,绝对黑体在波长 的亮度和温度的关系为：,实际物体在波长为 时，亮度与温度的关系为：,对于单色辐射高温计规定按照绝对黑体去刻度，用这种刻度的高温计去测量实际的温度，所得的温度示值为亮度温度Ts。物体的实际温度:,4-39,4-40,4-41,
26、温度检测仪表,早期的光学高温计的缺点是以人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，且测量结果带有主观性。,光学高温计,主要由光学系统和电测系统两部分组成。,图4-41光学高温计原理,后来发展成为光电式温度计，由于光电探测器、干涉滤光片及单色器的发展，使光学高温计在工业测量中基本被淘汰，被较灵敏、准确的光电高温计所代替。光电高温计是在光学高温计的基础上发展起来的，用光敏元件代替人眼，实现光电自动测量。,光电高温计,图4-42光电高温计原理,温度检测仪表,图4-43 光电比色计外观,这里以比色高温计为例，介绍光电高温计的工作原理。图4-43为光电比色高温计的外观图。,从图4-44结
27、构原理图看到：被测对象经物镜1成像，经光阑3与光导棒4投射到分光镜6上，使长波(红色光)辐射线透过，而使短波(可见光)部分反射。透过分光镜的辐射线再经滤光片9将残余的短波滤去后被光电元件(硅光电池)10接收，转换成电量输出。,3）比色式高温计,温度检测仪表,图4-44光电比色高温计的原理结构图1物镜；2平行平面玻璃；3光栏；4光导棒；5瞄准反射镜；6分光镜；7、9滤光片；8、10硅光电池；11圆柱反射镜；12目镜；13棱镜；14、15负载电阻；16可逆电动机；17放大器,温度检测仪表,分光镜反射的短波（蓝色光）辐射线经滤波片7将长波滤去，而被可见光硅光电池8接收，转换成与波长亮度成函数关系的电
28、量输出。将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比，即可读出被测对象的温度值。,光阑3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5上，再经圆柱反射镜11、目镜12和棱镜13，就能从观察系统中看到被测对象的状态，以便校准仪器的位置。,温度检测仪表,设长波(红色光)波长为1，短波（蓝色光）波长为2，光谱发射率分别为 和，根据普朗克定律，两种波长的辐射能量为:,两种波长下辐射能量之比为:,4-42,4-43,4-44,比色式高温计工作原理,温度检测仪表,由上式可见，如果波长1和2一定，且已知相应波长下对应的亮度比，则两波长辐射能量之比与其热力学温度之间成单值对应关系，只要测出辐射
29、能量之比就可以求得温度T。,比色高温计是按照黑体刻度的，用这种刻度的高温计去测量实际物体，所得到的温度示值为被测物体的“颜色温度”。若黑体在1和2两种波长下，在温度为TS时的辐射能量之比和实际物体在温度T时的辐射能量之比相等，则TS为该物体的“颜色温度”，二者之间存在以下关系:,温度检测仪表,式中:TS比色高温计的读数；T实际温度，根据1，2，和TS，可以通过读数求出被测物体的实际温度。,这种高温计量程为8002000，精度为0.5，响应速度由光电元件及二次仪表记录速度而定。其优点是测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真实温度，环境的粉尘、水汽、烟雾等对测量结果的影
30、响小，可用于冶金、水泥、玻璃等工业领域。,4-45,红外温度计 红外温度计是一种辐射温度计。其结构与其他辐射温度计相似，区别是光学系统和光电检测元件接受的是被测物体产生的红外波长段的辐射能。,常温下，所有物体都是红外辐射源。物体的温度越高，辐射的功率就越大。常见的红外传感器可分为：热电探测器类型；光电传感器类型等。,图4-45 红外式温度计,检出(测)元件插入长度 检出(测)元件保护套材质不低于设备或管道材质。检出(测)元件保护套管 用于可燃性气体、蒸汽及可燃性粉尘等爆炸危险场所的的温度仪表、温度开关、温度检出(测)元件和变送器等，应选择合适的防爆结构形式或采取其它的防爆措施和防护措施。,4-45,温度检测仪表的选用,1.温度检测仪表选型的一般规定,单位及标度(刻度)温度仪表的标度(刻度)单位应采用摄氏度()。在一般情况下，标度(刻度)及测量范围的选用应与定型产品的标准系列相符。温度仪表正常使用温度应为量程的50%一70%，最高测量值不应超过量程的90%。,
