自動(dòng)化檢測(cè)儀表第3講

1、 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)第二編過(guò)程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)第二編過(guò)程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)4.溫度檢測(cè)5.壓力檢測(cè)6.流量檢測(cè)7.物位檢測(cè)8.機(jī)械量檢測(cè)9.成分分析儀表4.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)4.2 接觸式測(cè)溫4.3 非接觸式測(cè)溫4.4 光纖溫度傳感器4.5 測(cè)溫實(shí)例4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1.1 測(cè)溫原理及方法測(cè)溫原理及方法4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)原理：原理：溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志。兩個(gè)受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)小的標(biāo)志。兩個(gè)受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱交換，達(dá)到共同的平衡態(tài)后具有

2、相同的溫度。間的熱交換，達(dá)到共同的平衡態(tài)后具有相同的溫度。溫度測(cè)量原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，溫度測(cè)量原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理性質(zhì)隨溫度而變化的特性為已知，其某一物理性質(zhì)隨溫度而變化的特性為已知，通過(guò)溫度敏感通過(guò)溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象的熱交換，測(cè)量相關(guān)的物理量變化，即可確元件與被測(cè)對(duì)象的熱交換，測(cè)量相關(guān)的物理量變化，即可確定被測(cè)對(duì)象的溫度。定被測(cè)對(duì)象的溫度。4.1.1 測(cè)溫原理及方法測(cè)溫原理及方法4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)測(cè)溫方式分類：測(cè)溫方式分類： . .接觸式測(cè)溫：接觸式測(cè)溫：溫度敏感元件要與被測(cè)對(duì)象有溫度敏感元件要與被測(cè)對(duì)象有良好的

3、熱接觸良好的熱接觸，依靠傳熱，依靠傳熱和對(duì)流進(jìn)行熱交換，以獲得較高的測(cè)量精度。和對(duì)流進(jìn)行熱交換，以獲得較高的測(cè)量精度。它往往會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象的熱平衡，存在它往往會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象的熱平衡，存在置入誤差置入誤差。由于測(cè)量環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)溫度元件的結(jié)構(gòu)和性能要求高。由于測(cè)量環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)溫度元件的結(jié)構(gòu)和性能要求高。 . .非接觸式測(cè)溫：非接觸式測(cè)溫：溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過(guò)熱輻射進(jìn)行溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過(guò)熱輻射進(jìn)行熱交換，由熱輻射能的大小推測(cè)被測(cè)對(duì)象的溫度。熱交換，由熱輻射能的大小推測(cè)被測(cè)對(duì)象的溫度。這種方法測(cè)溫響應(yīng)快，對(duì)被測(cè)對(duì)象干擾小，可測(cè)量高溫、這種方法測(cè)溫響應(yīng)快，對(duì)被測(cè)對(duì)象

4、干擾小，可測(cè)量高溫、運(yùn)動(dòng)的被測(cè)對(duì)象和有強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕的場(chǎng)合。運(yùn)動(dòng)的被測(cè)對(duì)象和有強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕的場(chǎng)合。測(cè)溫方式類別原理典型儀表測(cè)溫范圍/接觸式測(cè)溫膨脹類利用液體、氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸氣壓變化玻璃液體溫度計(jì)-100600壓力式溫度計(jì)-100500利用兩種金屬的熱膨脹差雙金屬溫度計(jì)-80600熱電類利用熱電效應(yīng)熱電偶-2001800電阻類 固體材料的電阻隨溫度變化鉑熱電阻-260850銅熱電阻-50150熱敏電阻-50300其他電學(xué)類半導(dǎo)體器件的溫度效應(yīng)集成溫度傳感器-50150晶體的固有頻率隨溫度而變化石英晶體溫度計(jì)-50120光纖類利用光纖的溫度特性或作為傳光介質(zhì)光纖溫度傳感器-504

5、00非接觸式測(cè)溫光纖輻射溫度計(jì)2004000輻射類利用普朗克定律光電高溫計(jì)8003200輻射傳感器4002000比色溫度計(jì)5003200溫度檢測(cè)方法的分類溫度檢測(cè)方法的分類4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1.1 測(cè)溫原理及方法測(cè)溫原理及方法4.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)4.1.2 溫標(biāo)溫標(biāo) 溫標(biāo)：衡量溫度的標(biāo)尺，規(guī)定溫度起點(diǎn)及基本單位 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)： 華氏溫標(biāo)：冰點(diǎn)32F，水沸點(diǎn)212F 攝氏溫標(biāo)：冰點(diǎn)0，水沸點(diǎn)100換算關(guān)系：32 1.8FCtt4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1測(cè)溫方法及溫標(biāo) 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) 熱力學(xué)溫度：符號(hào) ，單位開(kāi)爾文，K 攝氏溫度：符號(hào) ，單位攝氏度， ITS-90國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定了17個(gè)定義固

6、定點(diǎn) 三相點(diǎn)：三相共存 熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)：固液共存 沸點(diǎn)：氣液共存90T90t9090273.15tT4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1.2 溫標(biāo)溫標(biāo)4.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1.2 溫標(biāo)溫標(biāo)溫標(biāo)的傳遞：溫標(biāo)的傳遞： 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)系由各國(guó)計(jì)量部門(mén)按規(guī)定分別保持和傳遞，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)系由各國(guó)計(jì)量部門(mén)按規(guī)定分別保持和傳遞，由由定義固定點(diǎn)定義固定點(diǎn)及一整套及一整套基準(zhǔn)儀表基準(zhǔn)儀表復(fù)現(xiàn)溫度標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)復(fù)現(xiàn)溫度標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)基準(zhǔn)基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀表逐級(jí)傳遞，和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀表逐級(jí)傳遞，各類溫度計(jì)的各類溫度計(jì)的標(biāo)定過(guò)程標(biāo)定過(guò)程。采取比較法。采取比較法。4.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)

7、溫 4.2.1.1 測(cè)溫原理 基于熱電效應(yīng) 閉合回路中的總熱電勢(shì)： 一定時(shí)， ， 000,TABABABABTET TSdTeTeT0T0ABeTC 0,ABABET TeTC4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫 T 端：測(cè)量端或熱端 端：參比端或冷端 熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的 條件是兩種不同的導(dǎo) 體材料構(gòu)成回路，兩 端接點(diǎn)處的溫度不同0T熱電效應(yīng)原理熱電效應(yīng)原理4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 熱電勢(shì)大小只與熱電極 材料及兩端溫度有關(guān)， 與熱偶絲的粗細(xì)長(zhǎng)短無(wú) 關(guān) 熱電極材料確定以后， 熱電勢(shì)大小只與溫度有 關(guān)熱電效應(yīng)原理熱電效應(yīng)原理4 4 溫度檢測(cè)溫

8、度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 4.2.1.2 熱電偶的應(yīng)用定則 1）均質(zhì)導(dǎo)體定則：同種均質(zhì)導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路不能產(chǎn)生熱電勢(shì) 2）中間導(dǎo)體定則：熱電偶回路中介入中間導(dǎo)體后，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)值沒(méi)有影響 3）中間溫度定則：00,ABABCABCET TET TET T4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 4.2.1.3 常用工業(yè)熱電偶 1）鉑銠合金、鉑系列熱電偶 2）廉價(jià)金屬熱電偶 3）難融合金熱電偶4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 4.2.1.4 工業(yè)熱電偶

9、結(jié)構(gòu)型式 1）普通型 熱容量大，熱慣性大，對(duì)溫度變化的響應(yīng)慢11熱電偶接點(diǎn)；熱電偶接點(diǎn)；22瓷絕緣套管；瓷絕緣套管；33不銹鋼套管；不銹鋼套管；44安裝固定件；安裝固定件；55引線口；引線口；66接線盒接線盒4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 4.2.1.4 工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)型式 2）鎧裝型 熱容量小，熱慣性小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)快，撓性好，可彎曲，可安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測(cè)量場(chǎng)合鎧裝熱電偶工作端的結(jié)構(gòu)鎧裝熱電偶工作端的結(jié)構(gòu)4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 4.2.1.5 熱電偶參比端溫度的處理 參比端溫度不恒定會(huì)引

10、入誤差 1）補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法的測(cè)量回路補(bǔ)償導(dǎo)線法的測(cè)量回路11測(cè)溫接點(diǎn)；測(cè)溫接點(diǎn)；22補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線；33冷端；冷端；44銅導(dǎo)線；銅導(dǎo)線；55測(cè)溫儀表測(cè)溫儀表4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 2）參比端溫度測(cè)量計(jì)算法：測(cè)量參比端溫度，對(duì)原公式進(jìn)行修正 3）參比端恒溫法：保持參比端溫度恒定為已知溫度4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 4）補(bǔ)償電橋法： 利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)電勢(shì)，補(bǔ)償熱電偶由于參比端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化。補(bǔ)償電橋補(bǔ)償電橋4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.1 熱電偶測(cè)溫?zé)?/p>

11、電偶測(cè)溫4.2.2 熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫 基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性 4.2.2.1 金屬熱電阻 電阻溫度系數(shù) 熱電阻材料：電阻溫度系數(shù)和電阻率較大（鉑，銅等） 鉑熱電阻：時(shí)，時(shí)， 電阻和溫度的關(guān)系呈平滑特性，可建立分度表方便計(jì)算。0001TRRRTT0tC 201R tRAtBt0tC 2301100R tRAtBtCtt4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫 3）熱電阻結(jié)構(gòu)：(a)普通型；(b)鎧裝型熱電阻結(jié)構(gòu)熱電阻結(jié)構(gòu)(a)(a)普通型普通型(b)(b)鎧裝型鎧裝型11電阻體；電阻體；22瓷絕緣套管；瓷絕緣套管；33不銹鋼套管；不銹鋼套管；44安裝固定件；安裝固定件；

12、55引線口；引線口；66接線盒；接線盒；77芯柱；芯柱；88電阻絲；電阻絲；99保護(hù)膜；保護(hù)膜；1010引線端引線端4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.2 熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫 4）熱電阻引線方式：二線制，三線制，四線制 精度遞增熱電阻的測(cè)量熱電阻的測(cè)量4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.2 熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫 4.2.2.2 熱敏電阻熱敏電阻 用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的溫敏元件為電阻體的溫敏元件 溫度檢測(cè)主要用負(fù)溫度系數(shù)溫度檢測(cè)主要用負(fù)溫度系數(shù) 優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)是金屬優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)是金屬電阻的十幾倍，靈敏度高；電阻的十幾

13、倍，靈敏度高；引線電阻對(duì)測(cè)溫沒(méi)有影響；引線電阻對(duì)測(cè)溫沒(méi)有影響；體積小，響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)體積小，響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)各種熱敏電阻特性各種熱敏電阻特性4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.2 熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫 晶體管基極晶體管基極射極正向壓降隨溫度升高而減少射極正向壓降隨溫度升高而減少 V1、V2：鏡像管：鏡像管 V3、V4：溫度檢測(cè)用晶體管，：溫度檢測(cè)用晶體管， 二者發(fā)射極面積比為二者發(fā)射極面積比為m R、m一定時(shí)，輸出電流與一定時(shí)，輸出電流與 溫度有良好的線性關(guān)系溫度有良好的線性關(guān)系0lnbeeKTAUUqI集成溫度傳感器原理圖集成溫度傳感器原理圖4 4 溫度檢測(cè)溫

14、度檢測(cè)4.2 接觸式測(cè)溫4.2.2 熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫4.3.1 輻射測(cè)溫原理輻射測(cè)溫原理 4.3.1.1 普朗克定律：普朗克定律： 絕對(duì)黑體的單色輻射強(qiáng)度絕對(duì)黑體的單色輻射強(qiáng)度 與波與波長(zhǎng)長(zhǎng) 及溫度及溫度T的關(guān)系的關(guān)系 4.3.1.2 維恩位移定律：?jiǎn)紊椛鋸?qiáng)度的峰值波長(zhǎng)維恩位移定律：?jiǎn)紊椛鋸?qiáng)度的峰值波長(zhǎng) 與溫與溫度的關(guān)系度的關(guān)系 4.3.1.3 絕對(duì)黑體的全輻射定律絕對(duì)黑體的全輻射定律0E21/50121W/mcTEcem32.8978 10 m KmT42000W/mEE dT4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.3 非接觸式測(cè)溫4.3.2 輻射測(cè)溫儀表的基本組成及常用方法各種輻射測(cè)溫系統(tǒng)一般

15、只接收一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能 輻射測(cè)溫常用方法： 亮度法，全輻射法，比色法，多色法輻射測(cè)溫儀表主要組成框圖輻射測(cè)溫儀表主要組成框圖4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.3 非接觸式測(cè)溫 4.3.3.1 光電高溫計(jì)：通過(guò)測(cè)量某一波長(zhǎng)下物體輻射亮度的變化測(cè)知其溫度光電高溫計(jì)的工作原理光電高溫計(jì)的工作原理11物鏡；物鏡；22孔徑；孔徑；3 3，55孔；孔；44光電器件；光電器件；66遮光板；遮光板；77調(diào)制片；調(diào)制片；88永久磁鐵；永久磁鐵；99激磁繞組；激磁繞組；1010透鏡；透鏡；1111反射鏡；反射鏡；1212觀察孔；觀察孔；1313前置放大器；前置放大器；1414主放大器；主放大器；1515反饋燈；反

16、饋燈；1616電位差計(jì)；電位差計(jì)；1717被測(cè)物體被測(cè)物體4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.3.3 輻射測(cè)溫儀表輻射測(cè)溫儀表4.3 非接觸式測(cè)溫4.3.3 輻射測(cè)溫儀表輻射測(cè)溫儀表 4.3.3.2 輻射溫度計(jì) 依據(jù)全輻射定律，敏感元件感受物體的全輻射能量來(lái)測(cè)知物體的溫度透鏡式和反射鏡式的示意透鏡式和反射鏡式的示意11光闌；光闌；22檢測(cè)元件；檢測(cè)元件；33輸出端子；輸出端子；44外殼；外殼；55反射聚光鏡；反射聚光鏡；66透鏡透鏡4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.3 非接觸式測(cè)溫 4.3.3.3 比色溫度計(jì) 利用被測(cè)對(duì)象的兩個(gè)不同波長(zhǎng)（或波段）光譜輻射亮度之比實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)溫 單通道、雙通道、色敏型 維恩位移

17、定律單通道型比色溫度計(jì)原理單通道型比色溫度計(jì)原理11物鏡；物鏡；22調(diào)制盤(pán)；調(diào)制盤(pán)；33檢測(cè)元件；檢測(cè)元件；44放大器；放大器；55計(jì)算電路；計(jì)算電路；66顯示顯示儀表；儀表；77馬達(dá)；馬達(dá)；88濾光片濾光片2212111ln5lncTR4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.3.3 輻射測(cè)溫儀表輻射測(cè)溫儀表4.3 非接觸式測(cè)溫4.3.4 輻射測(cè)溫儀表的表觀溫度輻射測(cè)溫儀表的表觀溫度 輻射儀表的表觀溫度是指在儀表工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)，溫度為T(mén)的輻射體的輻射情況與溫度為T(mén)A的黑體的輻射情況相等，則TA就是該輻射體的表觀溫度 亮度溫度 輻射溫度 比色溫度4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.3 非接觸式測(cè)溫 敏感元件（或能量

18、傳輸介質(zhì)）：光纖 型式：接觸式和非接觸式，功能型和非功能型 特點(diǎn)：電絕緣性能好，可彎曲，可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光探頭 構(gòu)成：光源激勵(lì)、光源、光纖（含敏感元件）、光檢測(cè)器、光電轉(zhuǎn)換及處理系統(tǒng)、連接件4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.3 非接觸式測(cè)溫4.3.4 輻射測(cè)溫儀表的表觀溫度輻射測(cè)溫儀表的表觀溫度4.4.1 液晶光纖溫度傳感器液晶光纖溫度傳感器 原理：液晶的“熱色”效應(yīng)4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.4 光纖溫度傳感器4.4.2 熒光光纖溫度傳感器熒光光纖溫度傳感器 原理：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4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.4 光纖溫度傳感器4.4.3 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖溫度傳感器 原理：半導(dǎo)體的光吸收響應(yīng)隨溫度而變化，根據(jù)透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)變化檢測(cè)溫度半導(dǎo)體材料透光率與溫度的特性半導(dǎo)體材料透光率與溫度的特性4 4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.4 光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖溫度傳感器的裝置簡(jiǎn)圖及探頭結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光纖溫度傳感器的裝置簡(jiǎn)圖及探頭結(jié)構(gòu)11光源；光源；22光纖；光纖；33探頭；探頭；44光探測(cè)器；光探測(cè)器；55不銹鋼套；不銹鋼套；6