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1、第9章 温度检测技术,温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志。温度与人们日常生活紧密相关。,9.1 概述 温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量，温度是建立在热平衡基础上的。人类一直在探索如何测量温度。人体是一种测温仪:精度底 量程小,2023/10/16,4,9.1概述,缺点:受气压影响,最早使用仪器来测量温度的是伽里略 1592年底，伽里略发明了第一个用来测量温度的仪器。,2023/10/16,5,1624年温度计第一次正式在文献里出现。1654年意大利的一个公爵费
2、迪南德二世做成了一个真正不受气压影响的温度计,开尔文、牛顿等建立了各种温标:绝对温标、摄氏温标、华氏温标,概述,9.1.2 测温方法分类及其特点,根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。,接触式与非接触式测温特点比较,测量条件接触式：感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀非接触式：知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上,测量范围接触式：1200以下、热容大、无腐蚀性，对象的连续在线测温非接触式：从超低温到极高温，但1000以下，测量误差大,接触式
3、与非接触式测温特点比较,精 度接触式：通常为1.0、0.5、0.2及0.1级非接触式：通常为1.0、1.5、2.5级,响应速度接触式：慢，通常为几十秒到几分钟非接触式：快，通常为23秒钟,其它特点接触式：结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉非接触式：结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵,各种温度检测方法及其测温范围,第9章 温度检测技术,9.1 概述9.2 接触式测温方法9.3 辐射法测温,9.2 接触式测温方法,根据测温转换的原理，接触式测温可分为：1、膨胀式(包括液体和固体膨胀式)2、热阻式(包括金属热电阻和半导体热电阻)3、热电式(包括热电偶和PN结),2023/10/16,12,
4、(本课程主要介绍接触式测温原理及方法)热电式传感器:将温度变化转换为电量变化的装置 较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻。常用热电式传感器的敏感元件有：热电偶、热电阻热电偶：将温度转换为电势之变化热电阻：将温度转换为电阻阻值之变化,9.2.1 热膨胀式测温方法,基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。按膨胀基体可分成：液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计,特点：1、测量范围大都在-50550内2、用于温度测量或控制精度要求较低，不需自动记录的场合。,热阻式测温技术,基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质
5、，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。热电阻的材料：电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性；物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。,优点：信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传（与热电偶相比）、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。缺点：需要电源激励、有自热现象（会影响测量精度）以及测量温度不能太高。,常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。,热阻式测温技术,铂电阻测温,铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中
6、，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。,铂电阻与温度的关系当 时 当 时,铂电阻测温,式中 R0温度为零时铂热电阻的电阻值 R（t）温度为t时铂热电阻的电阻值；A=3.9080210-3 B=-5.801910-7 C=-4.2735010-12,热电阻的结构,铂电阻测温,热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件：电阻温度系数大、线性好、性能稳定；使用温度范围广、加工方便；固有电阻大，互换性好，复制性强。,铂电阻测温,热电阻的引线形式热电阻的内引线是
7、出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图9-4所示。,铂电阻测温,铂电阻测温,1.两线制测量电桥,2.三线制测量电桥,3.四线制测量原理,3.四线制测量原理,该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度、电压表的测量精度、引线的固有热电势。可采用如下措施提高测量精度：在电流回路中加入一具有极低温度系数的高精密电阻作为采样电阻，测量该采样电阻上的电压值VS进而精确得到恒流源的电流值I，从而消除由于温漂、失调等因素造成的恒流源误差；变换恒流源极性测量热电阻，可大大抑制热电势的影响。,铜电阻和热敏电阻测温,铜电阻 铜电阻(WZC
8、)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cul00）一般其工作温度范围为-40120。其电阻值与温度的关系为：当时,热敏电阻的缺点：阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。,铜电阻和热敏电阻测温,2023/10/16,28,9.2.3 热电偶,热电偶：将温度量转换为电势大小的热电式传感器热电偶具有以下特点：结构简单，使用方便，精
9、度高，热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测。,2023/10/16,30,9.2.3 热电偶,一、工作原理(席贝克效应)两种不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭合回路，如果两个接合点的温度不同，电路中将产生热电势，并形成热电流。热电势的大小与材料的性质及接点的温度有关，称为温差热电效应或热电效应，该现象是1821年德国物理学家Secback发现的。热电势可用函数关系式表示：EAB=f(T,T0)若知道EAB,T0,即可利用热电效应来测温或温度差。,2023/10/16,31,定义：这两种不同导体的组合体称为热电偶。,两个连接端点,一个称为工作端T,另一个称为自由端或参考端T0或冷
10、端,两根金属丝称之为热电极。,2023/10/16,32,温差电势是如何产生的？温差电势是由两种导体的接触电势（珀耳贴电势）与同一种导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成的。,1.接触电势,接触电势原理图,+,A,B,eAB(T),-,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,A,eA(T,To),To,T,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A汤姆逊系
11、数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。,2.温差电势,温差电势原理图,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3.回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B导体A和B的汤姆逊系数。,根据电磁场理论得,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T),由于NA、NB是温度的单值函数,
12、在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，0)-EAB(T0，0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。,4.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不 同时才能有热电势产生。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材
13、料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,2.只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。,结论(4点)：,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E=EAB（T1）+EBC（T2）+ENA（Tn）,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。（用途）,二、热电偶回路的性质,1.
14、均质导体定律,E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0,三种不同导体组成的热电偶回路,2.中间导体定律,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则,两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：,T2,T1,Aa,B,C,2,3,EABa,A,T0,2,3,A,B,EAB,T1,T2,C,
15、T0,EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）,(a),(b),T0,T0,EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）,第三种材料接入热电偶回路图,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,电位计接入 热电偶回路,用途 根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）,T0,T,EBA(T,T0),B,A,T0,T,EAC(T,T0),A,C,T0,T,ECB(T,T0),C,B,标准电极定律2）如果任意两种导体材料
16、的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,用途：纯金属很多，合金更多，如果要得出它们之间的热电动势很困难。铂的物理化学性质稳定，熔点高、易提纯。通常选用高纯铂丝作为标准电极。,3.中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则,EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）,用途：制定热电式分度表奠定理论基础，参考温度0度,EAB（
17、T1,T3）=EAB（T1,0）+EA B（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）,A,B,T1,T2,T2,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：,只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,热电偶材料应满足：物理性能
18、稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。,三、热电偶的常用材料与结构,常用热电偶的结构类型 1工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的
19、热端形状不同，可分为四种型式如图。,图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管;2绝缘材料;3热电极(a)碰底型;(b)不碰底型;(c)露头型;(d)帽型,3快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm),4,1,2,3,快速反应薄膜热电偶1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线,因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为 6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几
20、ms。,4快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达57。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型 1刚帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线,方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法,四、冷端处理及补偿,原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输
21、出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,1.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,四、冷端处理及补偿,T0,2.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用
22、室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),3.补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；T
23、H室温；k为补正系数，其它参数见下表。例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。,T T k T H,4.冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=
24、RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。,冷端补偿器的作用,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,R,供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。,1.热电偶的选择、安装使用 热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常
25、与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可,通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。,五、热电偶的选择、安装使用和校验,2.热电偶的定期校验 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差,热电偶校验图 1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管,请将右图各有关设备正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。,黄,
26、绿,红,L1,L2,L3,接大地铜排,接零,热电偶输出端,电炉,交流接触器,三相 空气开关,380V线圈的交流接触器连接过程,当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。,接大地铜排,电炉,接零,“3”端接何处,热电偶,习 题,1什么是热电势、接触电势和温差电势？2说明热电偶测温的原理及热电偶的基本定律。3已知在其特定条件下材料A与铂配对的热电势，材料B与铂配对的热势，试求出此条件下材料A与材料B配对后的热电势。,习 题,4Pt100和Cu50分别代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。5将一只灵敏度为0.08mv/的热电偶
27、与毫伏表相连,已知接线端温度为50,毫伏表的输出为60 mV,求热电偶热端的温度为多少?6试比较热电阻与热敏电阻的异同。,2023/10/16,75,作 业,8-1.下面三种说法哪种正确：热电偶的热电动势大小（1）取决于热端温度；（2）取决于热端和冷端两个温度；（3）取决于热端和冷端温度之差。为什么？8-2.热电偶的热电动势大小和热电极的长短、粗细有关吗？若热电偶接有负载后，负载上得到的电压和热电极长短、粗细有关吗？8-3.热电偶的冷端延长导线的作用是什么？使用冷端延长线（即补偿导线）应满足什么样的条件和注意什么问题？,2023/10/16,76,8-4.有人查补偿导线所用材料资料发现铂铑-铂热电偶的补偿导线是由铜-铜镍材料，而镍铬-镍硅热电偶的补偿导线所用材料就是镍铬-镍硅，这是为什么？既然铜-铜镍热电特性可替代铂铑-铂，为什么不用铜-铜镍热电偶代替铂铑-铂去测温？8-5.试比较热电阻、热敏电阻及热电偶三种测温传感器的特点及对测量电路的要求,作 业,
