卓越班現(xiàn)代檢測第7章

第7章溫度檢測適配教材《現(xiàn)代檢測技術(shù)及應(yīng)用》李現(xiàn)明主編，高等教育出版社2012年第1版7.1常用溫度檢測方法溫度是表征物體冷、熱程度的物理量，反映了物體內(nèi)部分子運(yùn)動平均動能的大小。溫度檢測方法可劃分為接觸式溫度檢測和非接觸式溫度檢測兩大類。接觸式溫度檢測包括：膨脹式溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶、PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)、石英晶體溫度計(jì)等，優(yōu)點(diǎn)：簡單、直觀、可靠、價廉、精度高。缺點(diǎn)：由于測溫元件存在熱慣性，導(dǎo)致一定的測量滯后；測溫元件對熱容量較小的被測對象的溫度場有一定影響；接觸不良時易帶來測量誤差；測溫元件的性能和壽命受高溫和腐蝕性介質(zhì)的影響；測量運(yùn)動體的溫度比較困難。接觸式溫度檢測：膨脹式溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶、PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)、石英晶體溫度計(jì)等

優(yōu)點(diǎn)：簡單、直觀、可靠、價廉、精度高。

缺點(diǎn)：由于測溫元件存在熱慣性，導(dǎo)致一定的測量滯后；測溫元件對熱容較小的被測對象溫度場有一定影響；接觸不良時易帶來測量誤差；測溫元件的性能和壽命受高溫和腐蝕性介質(zhì)的影響；測量運(yùn)動體的溫度比較困難。非接觸式溫度檢測：比色高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、輻射感溫式溫度計(jì)、紅外溫度計(jì)等；優(yōu)點(diǎn)：熱慣性小；測溫范圍廣；不破壞被測溫度場；可以測量運(yùn)動體的溫度；可以測量物體表面的溫度分布。缺點(diǎn)：測量精度一般不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高。7.1.1雙金屬溫度檢測其感溫元件是由兩種熱膨脹系數(shù)具有明顯差異的金屬片彼此牢固結(jié)合所制成的，稱為雙金屬片。熱膨脹系數(shù)較大的一層稱之為主動層，熱膨脹系數(shù)較小的一層稱之為被動層。雙金屬片的一端固定，另一端為自由端。溫度升高時，主動層向被動層一側(cè)彎曲。由于二者牢固結(jié)合，從而造成整個雙金屬片彎曲。溫度越高，產(chǎn)生的彎曲就越大。圖7.1雙金屬片受熱變形示意圖當(dāng)雙金屬片的長度、厚度一定，而且α1、α2保持常數(shù)時，其偏轉(zhuǎn)角α與被測溫度t呈線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了溫度到偏轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換。雙金屬片通過傳動機(jī)構(gòu)帶動指針，即可完成溫度顯示；雙金屬片通過傳動機(jī)構(gòu)帶動電觸點(diǎn)，即可將溫度信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)形式的電信號。

雙金屬片是雙金屬溫度計(jì)的核心部件，其材料應(yīng)滿足以下基本要求：1)主動層與被動層的熱膨脹系數(shù)應(yīng)有較大差別，從而保證雙金屬溫度計(jì)有較高的靈敏度。2)主動層與被動層的熱膨脹系數(shù)應(yīng)穩(wěn)定，從而保證雙金屬溫度計(jì)有較好的重復(fù)性。3)主動層與被動層都有較高的彈性模量，從而保證雙金屬溫度計(jì)有較大的測量范圍。常用雙金屬材料如表7.1所示。主動層材料及膨脹系數(shù)被動層材料及膨脹系數(shù)測量范圍/℃Mn75Ni15Cu10，28×10-6/KNi36余Fe，1.5×10-6/K0~1503Ni24Cr2余Fe，18×10-6/KNi36余Fe，1.5×10-6/K0~200Ni20Mn7余Fe，20×10-6/KNi34余Fe，1.68×10-6/K-80~+80Ni19Cr11余Fe，16.5×10-6/KNi42余Fe，5.3×10-6/K0~3003Ni24Cr2余Fe，18×10-6/KNi50余Fe，4.7×10-6/K0~400Ni10Cr12Mn16余FeCr23Cu余Fe0~600雙金屬溫度計(jì)有普通雙金屬溫度計(jì)、熱套式雙金屬溫度計(jì)、電接點(diǎn)雙金屬溫度計(jì)、防爆型雙金屬溫度計(jì)、盒型雙金屬溫度計(jì)等多種具體種類。普通雙金屬溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖7.2所示。圖7.2普通雙金屬溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖1-指針；2-標(biāo)度盤；3-保護(hù)管；4-指針軸；5-感溫元件；6-固定端作為測溫體的雙金屬片通常繞成螺旋形，以提高靈敏度。螺旋形雙金屬片的自由端與細(xì)軸4相連，細(xì)軸4的端部裝有指針1。當(dāng)溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生形變時，自由端將繞軸旋轉(zhuǎn)，帶動指針轉(zhuǎn)動，從而在標(biāo)度盤上指示被測溫度。雙金屬溫度計(jì)的精度等級有1.0、1.5、2.5三種。它的時間常數(shù)與保護(hù)管直徑有關(guān)。對于4mm、6mm的保護(hù)管直徑，時間常數(shù)小于30s；對于8mm、10mm、12mm的保護(hù)管直徑，時間常數(shù)小于60s。雙金屬溫度計(jì)插入被測介質(zhì)的深度必須大于感溫元件的長度。雙金屬溫度計(jì)工作的環(huán)境溫度范圍為-40℃~55℃，環(huán)境濕度應(yīng)小于85%。使用中應(yīng)避免強(qiáng)力沖擊和碰撞，以免保護(hù)管變形。與雙金屬溫度計(jì)有關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為JB/T8803—1998，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雙金屬溫度計(jì)的產(chǎn)品分類、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、儲存等。7.1.2壓力式溫度檢測壓力式溫度檢測是根據(jù)密閉容器中的感溫介質(zhì)受熱后體積膨脹引起壓力變化的原理來測量溫度的。換言之，它首先將溫度信號轉(zhuǎn)換為壓力信號，然后用測量壓力的方法來實(shí)現(xiàn)溫度的測量，圖7.3壓力式溫度計(jì)原理圖溫泡內(nèi)充有感溫介質(zhì)。溫泡與毛細(xì)管、彈簧管組成一個封閉系統(tǒng)。當(dāng)溫泡內(nèi)的感溫介質(zhì)受到溫度作用時，封閉系統(tǒng)內(nèi)的壓力將發(fā)生變化，使彈簧管產(chǎn)生相應(yīng)的形變，經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)帶動指針指示被測溫度。根據(jù)感溫介質(zhì)不同，壓力式溫度計(jì)可分為液體壓力溫度計(jì)、氣體壓力溫度計(jì)、蒸氣壓力溫度計(jì)，其測量范圍與具體感溫介質(zhì)有關(guān)。感溫介質(zhì)為二甲苯時，測量范圍為-40℃~400℃；感溫介質(zhì)為甲苯時，測量范圍為120℃~300℃；感溫介質(zhì)為氮?dú)鈺r，測量范圍為-100℃~500℃。氣體壓力式溫度計(jì)的時間常數(shù)約為80s，水銀壓力式溫度計(jì)的時間常數(shù)約為20s，其它液體壓力式溫度計(jì)的時間常數(shù)約為40s。壓力式溫度計(jì)的精度等級有1.0、1.5、2.5等。表7.2給出了壓力式溫度計(jì)使用注意事項(xiàng)。環(huán)境溫度只能在允許的環(huán)境溫度范圍內(nèi)使用，否則毛細(xì)管和彈簧管產(chǎn)生的誤差將超出儀表的補(bǔ)償范圍，造成準(zhǔn)確度降低安裝應(yīng)將溫泡全部浸入被測介質(zhì)，但不要將毛細(xì)管插入介質(zhì)；應(yīng)垂直安裝在無振動、便于讀數(shù)和維護(hù)的地方；對于液體或蒸氣壓力式溫度計(jì)，溫泡和表頭要安裝在同一高度上；毛細(xì)管應(yīng)垂直，緊固件間距不超過300mm，彎曲圓弧半徑大于50mm；毛細(xì)管與爐壁、煙道等熱物體不得接觸；使用對于蒸氣壓力式溫度計(jì)，由于蒸氣壓力與溫度呈非線性關(guān)系，刻度盤的前1/3精度較低，應(yīng)讓儀表經(jīng)常工作在其刻度范圍的1/2——3/4區(qū)域內(nèi)與壓力式溫度計(jì)有關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JB/T9259—1999蒸氣和氣體壓力式溫度計(jì)；JB/T9262—1999工業(yè)玻璃溫度計(jì)和實(shí)驗(yàn)玻璃溫度計(jì)；JB/T9263.1—1999內(nèi)標(biāo)式工業(yè)玻璃溫度計(jì)型式和基本尺寸；JB/T9263.2—1999內(nèi)標(biāo)式普通實(shí)驗(yàn)玻璃溫度計(jì)型式和基本尺寸；JB/T9263.3—1999內(nèi)標(biāo)式精密實(shí)驗(yàn)玻璃溫度計(jì)型式和基本尺寸；JB/T9263.4—1999棒式普通實(shí)驗(yàn)玻璃溫度計(jì)型式和基本尺寸；JB/T9263.5—1999棒式精密實(shí)驗(yàn)玻璃溫度計(jì)型式和基本尺寸；JB/T9264—1999電接點(diǎn)玻璃溫度計(jì)。7.1.3熱電偶溫度檢測熱電偶是最重要的溫度檢測方法之一，將在7.2節(jié)作為溫度檢測技術(shù)示例予以詳細(xì)闡述。7.1.4熱電阻溫度檢測熱電阻的測溫原理基于金屬電阻率隨溫度變化而發(fā)生變化，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。各種金屬材料的電阻均隨溫度而發(fā)生變化，但適于制作溫度敏感元件的電阻材料要滿足要求：①要有盡可能大而且穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)；②電阻率要大，在同樣靈敏度下減小元件尺寸；③電阻溫度系數(shù)要保持單值，并且最好是常數(shù)，以保證電阻隨溫度變化的線性關(guān)系；④性能要穩(wěn)定，在電阻的使用范圍內(nèi)，其物理、化學(xué)性能基本保持不變。根據(jù)以上要求，純金屬是制造熱電阻的主要材料。目前，廣泛應(yīng)用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等。其中，鉑電阻、銅電阻溫度傳感器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。1鉑熱電阻傳感特性當(dāng)溫度在0℃~850℃范圍內(nèi)時，鉑熱電阻和溫度的關(guān)系為鉑電阻溫度傳感器的使用范圍是-200℃~850℃。當(dāng)溫度在-200℃~0℃范圍內(nèi)時，鉑熱電阻和溫度的關(guān)系為2銅熱電阻傳感特性銅熱電阻的溫度系數(shù)比鉑熱電阻大、價格低、易提純，但電阻率小、機(jī)械強(qiáng)度差。在測量精度要求不是很高、測量范圍較小的情況下，常被采用。銅熱電阻在-50℃~150℃的使用范圍內(nèi)，其電阻值與溫度的關(guān)系近似線性關(guān)系~

3熱電阻的結(jié)構(gòu)圖7.4熱電阻的結(jié)構(gòu)（1）電阻絲由于鉑的電阻率較大，而且相對機(jī)械強(qiáng)度也較大，通常將鉑絲直徑設(shè)計(jì)在0.03mm~0.07mm之間，可單層繞制。若鉑絲過細(xì)，電阻體雖可做得更小，但強(qiáng)度低。若將鉑絲加粗，強(qiáng)度雖可增大，但電阻體大了，熱慣性也大，且加大了成本。銅的機(jī)械強(qiáng)度較低，電阻絲的直徑需適當(dāng)加大。一般選擇0.1mm的漆包銅線或絲包線，分層繞在骨架上，并涂上絕緣漆。由于銅電阻測量的溫度低，故可以重疊多層繞制，一般多用雙繞法，即兩根絲平行繞制，在末端把兩個頭焊接起來。這樣，工作電流從一根熱電阻絲進(jìn)入，從另一根絲反向出來．形成兩個電流方向相反的線圈，其磁場方向相反，產(chǎn)生的電感就互相抵消，故又稱無感繞法。這種雙繞法也有利于引線的引出。（2）骨架熱電阻絲是繞制在骨架上的，骨架用來支持和固定電阻絲。骨架應(yīng)使用電絕緣性能好、高溫下機(jī)械強(qiáng)度高、體膨脹系數(shù)小、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、對熱電阻絲無污染的材料制造。常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。（3）引出線

引出線的直徑應(yīng)當(dāng)比熱電阻絲大幾倍，以便盡量減小引出線的電阻、增加引出線的機(jī)械強(qiáng)度和連接的可靠性。對于工業(yè)用鉑熱電阻，一般采用1mm的銀絲作為引出線。對于標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻，則采用0.3mm的鉑絲作為引出線。對于銅熱電阻，常用0.5mm的銅線作為引出線。在骨架上繞制好熱電阻絲，并焊好引線之后，在其外面加上云母片進(jìn)行保護(hù)，再裝入外保護(hù)套管中，并和接線盒或外部導(dǎo)線相連接，即得到熱電阻傳感器。三線制接線為削弱引線電阻、連接電阻的阻值及其隨環(huán)境溫度的波動對測量精度的影響，熱電阻到信號調(diào)理電路之間的引線常采用三根線，稱為“三線制”。具體接線方法見圖7.5所示。圖中假設(shè)測量電橋?yàn)槠胶怆姌?，若接不平衡電橋，則將圖中的檢流計(jì)G去掉，c、d處接后續(xù)電路的輸入端即可。從熱電阻體的根部一端引出兩根線、另一端引出一根線，兩根引出導(dǎo)線、連接導(dǎo)線接到電橋的相鄰橋臂中，第三根引出導(dǎo)線、連接導(dǎo)線的電阻加到電橋的電源上。三線制是工業(yè)中最常用的連接方法。圖7.5熱電阻的三線制接線方法根據(jù)電橋平衡條件，只要將電橋設(shè)計(jì)成R2=R3,在電橋平衡條件下，引出導(dǎo)線、連接導(dǎo)線的電阻及其隨環(huán)境溫度的波動不會造成測量誤差。當(dāng)電橋工作在不平衡條件下時，三線制接法不會完全消除引出導(dǎo)線、連接導(dǎo)線的電阻及其隨環(huán)境溫度的波動所造成得測量誤差，但可以大大減小此類誤差。圖7.5(b)只是對連接導(dǎo)線采用了三線制，它可以減小連接導(dǎo)線的電阻及其隨環(huán)境溫度的波動所造成得測量誤差，但引出導(dǎo)線的影響依然存在。四線制接線在實(shí)驗(yàn)室的精密測量中，常采用四線制接法。如圖7.6所示，從熱電阻體的根部兩端各引出兩根線，分別接電壓測量儀器電子電位差計(jì)和恒流源，通過歐姆定律獲得熱電阻的阻值。圖7.6熱電阻的四線制接線方法電子電位差計(jì)不取電流，恒流激勵源的電流完全流經(jīng)熱電阻體，而電子電位差計(jì)測量的是熱電阻體根部兩端的電壓，以完全消除引出導(dǎo)線、連接導(dǎo)線的電阻及其隨環(huán)境溫度的波動所造成的測量誤差。自熱效應(yīng)問題熱電阻在工作時必須施加激勵電流，該電流將造成電阻體本身的發(fā)熱，從而造成測量誤差。因此必須對激勵電流的幅值加以限制。常見故障熱電阻常見故障有短路和斷路。當(dāng)顯示儀表指示值為溫度上限時，很可能是熱電阻斷路造成；當(dāng)顯示儀表指示值為溫度下限時，很可能是熱電阻短路造成。保護(hù)管內(nèi)有灰塵可造成示值偏低；熱電阻體本身受到腐蝕，可造成溫度與阻值的關(guān)系發(fā)生變化，嚴(yán)重偏離分度表。與熱電阻有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)JB/T8622—1997工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表；JB/T8623—1997工業(yè)銅熱電阻技術(shù)條件及分度表；JB/T5518—1991工業(yè)熱電偶與熱電阻隔爆技術(shù)條件；JB/T9239—1999工業(yè)熱電偶、熱電阻用陶瓷接線板；JB/T10201—2000帶轉(zhuǎn)換器熱電阻。7.1.5非接觸式溫度檢測非接觸式溫度檢測，又稱為輻射式溫度檢測。測量原理：任何物體受熱后都將有一部分熱量轉(zhuǎn)換為輻射能。溫度越高，輻射到周圍環(huán)境的能量也就越多，而且二者滿足一定的函數(shù)關(guān)系。這樣，通過測量被測對象輻射到周圍的能量就可間接獲得被測對象的溫度。組成：一般由光學(xué)系統(tǒng)和檢測元件兩部分組成。光學(xué)系統(tǒng)用于瞄準(zhǔn)被測對象，把其輻射能量集中到檢測元件上；檢測元件用于把匯聚的輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號。分類：非接觸式溫度檢測可以分為4類全輻射式溫度檢測部分輻射式溫度檢測亮度式溫度檢測比色溫度檢測1全輻射式溫度檢測自然界中任何物體，溫度都在絕對零度以上，都會向外輻射出能量。設(shè)一小凸形物體的輻射發(fā)射率與吸收率相等，則其單位時間、單位表面積對周圍環(huán)境所輻射出的能量為全輻射式溫度檢測基于被測物體在全光譜范圍內(nèi)的總輻射能量與溫度具有確定性的關(guān)系來測量溫度。由于是對全輻射波長進(jìn)行測量，因此光學(xué)系統(tǒng)和熱敏感檢測元件必須具有較寬的光譜特性。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7.7所示。1-被測對象；2-透鏡；3-熱屏蔽器；4-熱敏感元件；5-放大電路；6-顯示儀表圖7.7全輻射式溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖被測對象的輻射能經(jīng)透鏡2聚焦在熱敏感元件4上。為了使熱敏感元件4只感受正面?zhèn)鱽淼臒彷椛涠皇芷渌较驘彷椛涞挠绊?，采用熱屏蔽?對其加以保護(hù)。熱敏感元件4輸出與被測物體溫度值有關(guān)的電信號。全輻射式溫度檢測測溫范圍為400℃~2000℃。按光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，可進(jìn)一步劃分為反射鏡式感溫器和透鏡式感溫器。反射鏡式感溫器用于測量中溫，透鏡式感溫器用于測量高溫。全輻射式溫度檢測系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、價格比較低、使用比較方便；主要缺點(diǎn)：由于工作在寬波段下，讀數(shù)受光譜發(fā)射率、吸收、反射影響較大，測量精度較低。目前主要用于中小型爐窯的溫度檢測。2亮度式溫度檢測亮度式溫度檢測，基于物體的單色輻射亮度隨溫度變化的原理，以被測物體光譜的一個狹窄區(qū)域內(nèi)的亮度與標(biāo)準(zhǔn)輻射體的亮度進(jìn)行比較來測量溫度。實(shí)際物體的單色輻射亮度為物體單色輻射亮度與被測溫度具有一一對應(yīng)的關(guān)系。按此原理形成的測溫裝置稱為光學(xué)高溫計(jì)，有標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)和工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)兩個大類。標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)又可劃分基準(zhǔn)溫度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)；工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)又可劃分為隱絲式光學(xué)高溫計(jì)和恒亮度式光學(xué)高溫計(jì)。項(xiàng)目隱絲式光學(xué)高溫計(jì)恒亮度式光學(xué)高溫計(jì)精密光學(xué)高溫計(jì)測量范圍/℃800~15001200~20001800~3200900~1500900~14001200~20001800~3200精確度1.51.00.5基本誤差限1.5℅1.0℅0.5℅測量距離/mm≥700≥1000≥700一般測量距離：1000工作條件溫度：10~50℃相對濕度：≤85℅溫度：10~50℃相對濕度：≤85℅溫度：10~35℃相對濕度：≤85℅表7.3各種光學(xué)高溫計(jì)的主要性能指標(biāo)3比色式溫度檢測

比色式溫度檢測是以兩個波長的輻射亮度之比隨溫度變化的原理來進(jìn)行溫度測量的。圖7.8比色式溫度檢測系統(tǒng)工作原理示意圖1-被測對象；2-透鏡；3-光電器件；4-放大電路；5-顯示儀表；6-調(diào)制盤；7-步進(jìn)電機(jī)；8，9-濾光片被測對象1的輻射射線經(jīng)過透鏡2射到由步進(jìn)電機(jī)7帶動的旋轉(zhuǎn)調(diào)制圓盤6上；在調(diào)制盤6的開孔上附有兩種顏色的濾光片8和9，一般為紅、藍(lán)色，把光線調(diào)制成交變光線；到光電器件3上的光線為紅、藍(lán)色交變的光線，進(jìn)而使光電器件3輸出與相應(yīng)的紅色和藍(lán)色光相對應(yīng)的電信號；然后把這個信號經(jīng)放大電路4放大并運(yùn)算后送到顯示儀表5，得到被測物體的溫度T。比色溫度檢測的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、響應(yīng)快，可檢測小目標(biāo)。目前可檢測2mm的物體的溫度。當(dāng)被測溫度處于0~800℃的中溫范圍時，物體向外輻射的能量已不是可見光，而幾乎全是紅外輻射，需要利用紅外探測器構(gòu)成紅外測溫儀來檢測。按工作原理，紅外測溫儀也可以劃分為全輻射式、亮度式、比色式等不同類別；按測溫范圍，可分為高溫紅外測溫儀（900℃以上）、中溫紅外測溫儀（300~900℃）和低溫紅外測溫儀（300℃以下）。圖7.9紅外線測溫儀組成框圖紅外接收器和輻射調(diào)制器組成紅外光學(xué)系統(tǒng)，它可以是透射式的，也可以是反射式的。在大多數(shù)紅外溫度計(jì)中，使用透射式光學(xué)系統(tǒng)。其作用：收集被測目標(biāo)的紅外輻射能量，并把它紅外探測器的光敏面上。為了盡可能多的接收被測目標(biāo)的輻射量，增加紅外探測器光敏面的照度，要求光學(xué)系統(tǒng)通光孔徑與焦距的比值盡量大。限定測溫儀視場，遮擋非被測目標(biāo)的輻射入射到探測器。通過濾光片在整個被測目標(biāo)輻射的光譜范圍內(nèi)有選擇性的接收輻射能。根據(jù)需要可分別選用截止濾光片、帶通濾光片、窄帶濾光片、雙色濾光片等。

瞄準(zhǔn)裝置：為便于把紅外測溫儀對準(zhǔn)被測目標(biāo)，紅外測溫儀一般還配置可見光瞄準(zhǔn)光路或激光瞄準(zhǔn)裝置。紅外探測器的功能是把接收到的紅外目標(biāo)輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號。

種類工作原理特點(diǎn)主要類型熱探測器探測元件因接受輻射能溫度升高，探測器中某一依賴溫度的參數(shù)發(fā)生變化，檢測該參數(shù)的變化便可探測出輻射能。光譜響應(yīng)寬、平坦；響應(yīng)范圍可以擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域；可在常溫下工作；使用方便。熱釋電探測器；熱敏電阻紅外探測器；熱電堆紅外探測器；光子探測器入射光的光子流與探測器材料中的電子相互作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。響應(yīng)率高；噪聲低；響應(yīng)速度快。光電導(dǎo)探測器；光伏探測器；光電磁探測器；紅外場效應(yīng)探測器模擬信號處理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理與顯示等環(huán)節(jié)組成電信號處理系統(tǒng)，其功能：放大紅外探測器輸出的微弱電信號；抑制非目標(biāo)輻射的干擾噪聲和系統(tǒng)噪聲；線性化、被測目標(biāo)表面發(fā)射率修正；環(huán)境溫度補(bǔ)償；信號的數(shù)字化處理與顯示等。選擇紅外測溫儀要考慮：測溫范圍目標(biāo)尺寸光學(xué)分辨率波長范圍等因素。舉例而言，某型號紅外線測溫儀的性能指標(biāo)為：測溫范圍800~1200℃在1100℃處的不確定度為7℃響應(yīng)時間小于等于15s測量距離大于1m使用環(huán)境溫度為5~40℃紅外線熱像儀利用紅外輻射原理，除可以測量物體整體溫度值以外，還可測量物體表面的溫度分布，稱為紅外線熱像儀。紅外線熱像儀以黑體為參考，由紅外探測器直接測量由物體各部分發(fā)出的紅外輻射，利用紅外成像的原理，得到包含有溫度信息的物體發(fā)射紅外輻射通量的分布圖像。目前已有多種型號的相應(yīng)產(chǎn)品，它可以顯示關(guān)于溫度的各種形式的彩色圖像、某幾個點(diǎn)溫的實(shí)時顯示；自動搜索和顯示圖像中的最高溫度、最低溫度；顯示水平或垂直的線溫分布；顯示圓形或矩形區(qū)域內(nèi)的最高溫度、最低溫度、平均溫度；還可以進(jìn)行等溫顯示、溫差顯示。根據(jù)熱像圖可以清楚了解、分析被測物體的溫度場。圖7.10紅外線熱像儀組成框圖被測物體的輻射圖形經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的會聚與濾光，聚焦在焦平面上；在焦平面上安置有紅外探測器，將入射的紅外輻射加以轉(zhuǎn)換，輸出與紅外輻射能量成正比的電壓信號；該電壓信號經(jīng)放大、視頻處理，實(shí)現(xiàn)熱像顯示和溫度測量。7.1.6各種溫度檢測方法的比較與選擇1玻璃溫度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單；②使用方便；③測量精度較高；④價格低廉。缺點(diǎn)：①測量上限和精度受玻璃質(zhì)量的限制；②易碎；③不能遠(yuǎn)傳。2壓力式溫度計(jì)壓力式測溫系統(tǒng)現(xiàn)在仍然是就地顯示、控制溫度中應(yīng)用十分廣泛的測量方法。帶電接點(diǎn)的壓力式測溫系統(tǒng)可用于就地溫度位式控制。壓力式測溫系統(tǒng)適于對銅或銅合金不起腐蝕作用的場合。優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度高，不怕震動；②價格較低；③不需要外部能源。缺點(diǎn)：①測溫范圍有限制，-80℃～+400℃；②熱慣性大，響應(yīng)時間較慢；③溫包、毛細(xì)管、彈簧管等密封部件損壞難于修理，必須更換；④測量精度受環(huán)境溫度、溫包安裝位置影響較大；⑤毛細(xì)管傳送距離有限制。3雙金屬溫度計(jì)

雙金屬溫度計(jì)也是用途十分廣泛的就地顯示溫度計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單，價格低；②維護(hù)方便；③比玻璃溫度計(jì)堅(jiān)固、耐震、耐沖擊；④示值連續(xù)。缺點(diǎn)：測量精度較低。4熱電阻

熱電阻廣泛用于生產(chǎn)過程各種介質(zhì)的溫度測量，輸出信號可以遠(yuǎn)傳。優(yōu)點(diǎn)：①測量精度高，可制作成標(biāo)準(zhǔn)儀器使用；②再現(xiàn)性好，可保持多年的穩(wěn)定性、精確度；③響應(yīng)速度快；④與熱電偶測溫相比，它不需要冷端溫度補(bǔ)償。缺點(diǎn)：①價格較熱電偶貴；②需外接電源；③熱慣性較大；④應(yīng)避免使用在有機(jī)械振動的場合。鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻是將溫度檢測元件、絕緣材料、導(dǎo)線三者封焊在一根金屬管內(nèi)，因此它的外徑可以做得很小，有良好的機(jī)械性能，不怕振動。同時具有響應(yīng)快、時間常數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)。鎧裝熱電阻除感溫元件外其他部分都可制成纜狀結(jié)構(gòu)，具有可撓性，可任意彎曲，適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)場合中的溫度測量。5熱電偶熱電偶在工業(yè)測溫中占了很大比重。生產(chǎn)過程遠(yuǎn)距離測溫很大部分使用熱電偶。優(yōu)點(diǎn)：①體積小，安裝方便；②信號可遠(yuǎn)傳作指示、控制用；③與壓力式溫度計(jì)相比，響應(yīng)速度快；④測溫范圍寬；⑤價格低；⑥精度高；⑦再現(xiàn)性好；⑧校驗(yàn)容易。缺點(diǎn)：①熱電勢與溫度之間呈非線性關(guān)系；②精度比熱電阻低；⑧在同樣條件下，熱電偶接點(diǎn)容易老化。6光學(xué)高溫計(jì)

光學(xué)高溫計(jì)結(jié)構(gòu)較簡單、輕巧便攜、使用方便，作為一種簡易儀表使用在金屬冶煉、玻璃熔融、熱處理等工藝過程中，實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測量。主要缺點(diǎn)是測量靠人眼比較，容易引入主觀誤差。7輻射溫度計(jì)

輻射溫度計(jì)常用來測量運(yùn)動物體的溫度，也可用于不能安裝熱電偶的測溫場合。全輻射溫度計(jì)結(jié)構(gòu)較簡單、牢固、價格較低，輸入信號可遠(yuǎn)傳指示記錄。優(yōu)點(diǎn)：①非接觸測溫；②適合高溫測量；③重量輕，便于攜帶；④精度較高。缺點(diǎn)：①價格較高；②靠人眼比較，有人為誤差；③被測物體的輻射率會影響測量結(jié)果。8輻射高溫計(jì)

輻射高溫計(jì)主要用于熱電偶無法測量的超高溫場合。優(yōu)點(diǎn)：①測量高溫；②響應(yīng)速度快；③非接觸測溫；④價格適中。缺點(diǎn)：①非線性刻度；②被測對象輻射率、輻射通道中間介質(zhì)吸收率會對測量造成影響。部分輻射溫度計(jì)測量精度較高，穩(wěn)定性也好，可測溫下限較低。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同樣輻射通道中間介質(zhì)吸收也會影響測量示值。9比色溫度計(jì)

比色溫度計(jì)按它的結(jié)構(gòu)可分為單通道和雙通道兩種。單通道比色溫度計(jì)精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；雙通道比色溫度計(jì)結(jié)構(gòu)較簡單但精度低。比色溫度計(jì)主要應(yīng)用于測量表面發(fā)射率低、測量精度要求較高的場合。溫度測量儀表的選擇要點(diǎn)如下：1就地溫度儀表選擇在滿足測量范圍、工作壓力、精確度要求下，應(yīng)優(yōu)先選用雙金屬溫度計(jì)；對于-80℃以下的低溫，或無法近距離觀察、有振動、對精確度要求不高的場合，可以選擇壓力式溫度計(jì)；玻璃溫度計(jì)由于易受機(jī)械損傷造成汞害，一般不推薦使用（但作為成套機(jī)械、要求測量精度不高的情況下使用除外)。2溫度傳感器的選擇熱電偶適合大多數(shù)場合；熱電阻適合要求測量精度高、無振動場合。普通熱電偶測量響應(yīng)速度有600s，100s，20s等范圍可供選擇；普通熱電阻測量響應(yīng)速度有90～180s，30～90s，10～30s，<10s等范圍可供選擇。3根據(jù)環(huán)境條件選擇溫度傳感器的接線盒普通式接線盒，適合條件較好的測量場所；防濺式接線盒，適合條件較好場所(防水式)；防爆式接線盒，適合易燃、易爆場所。4特殊場合下的溫度計(jì)選擇溫度高于870℃，氫含量大于5％的還原性氣體、惰性氣體及真空場所，宜選用吹氣熱電偶或鎢錸熱電偶；管道外壁、轉(zhuǎn)動物體等表面溫度測量，可選擇表面熱電偶、熱電阻或鎧裝熱電偶、熱電阻；含堅(jiān)固體顆粒場所的溫度測量，可選擇耐磨熱電偶。5根據(jù)被測介質(zhì)條件選擇測溫保護(hù)管材質(zhì)7.2溫度檢測技術(shù)示例——熱電偶7.2.1熱電偶的工作原理兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B的兩端，分別焊接或絞接在一起，從而形成一個閉合回路。若兩個接點(diǎn)處于不同的溫度，回路中就會產(chǎn)生電動勢，稱為熱電勢，相應(yīng)在回路中形成電流，通過電流表A可測得。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)是1823年由塞貝克發(fā)現(xiàn)的，故又稱為塞貝克效應(yīng)，熱電勢也稱為塞貝克電勢。圖中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B，稱為熱電極，它們組成熱電偶AB。測溫時接點(diǎn)(1)置于被測溫度場中，稱為測量端，也稱為工作端、熱端；接點(diǎn)(2)一般處于某一恒定溫度，稱為參考端，也稱為自由端、冷端。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與兩個電極的材料及兩個接點(diǎn)的溫度有關(guān)，通常寫成符號EAB(T,T0)，表示由材料A、B組成的熱電偶，熱端、冷端溫度分別為T、T0時所產(chǎn)生的熱電勢。熱電勢是由兩種導(dǎo)體接點(diǎn)的接觸電勢和同一導(dǎo)體的溫差電勢所合成的2接觸電勢1溫差電勢3熱電偶回路的熱電勢1）如果A和B兩導(dǎo)體的材料相同，即NA=NB，σA＝σB，即使兩端溫度T、T0不同，總熱電勢也為零。因此，熱電偶必須用兩種不同成分的材料制作熱電極。2）如果熱電偶的兩電極材料不同，但熱電偶的兩端溫度相同，即T＝T0，總的熱電勢也為零。3）熱電勢的大小僅與熱電極材料的性質(zhì)、兩個接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的尺寸及形狀無關(guān)。同樣材料的熱電偶，其溫度與電勢的關(guān)系相同，熱電極材料相同的熱電偶可以互換。熱電動勢的大小只與材料和接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。如果參考端溫度固定，則熱電偶的熱電勢就是被測溫度的單值函數(shù)；當(dāng)參考端溫度恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只隨工作端溫度的變化而變化，一定的熱電動勢對應(yīng)著一定的被測溫度。只要測量出熱電動勢，就可以達(dá)到測溫的目的。這正是熱電偶的測溫原理。不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系。一般用試驗(yàn)方法求取這個函數(shù)關(guān)系。把參考端放于溫度場為零的環(huán)境內(nèi)，然后在不同的溫差情況下，精確地測出回路總熱電勢，并將結(jié)果列成表格，稱為熱電偶的分度表。有8種國際通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶分度表。7.2.2熱電偶的基本定律

利用熱電偶測溫時，必須用導(dǎo)線將熱電偶與測量儀表連接起來。那么，這些導(dǎo)線、儀表以及它們之間形成的接點(diǎn)會不會產(chǎn)生新的熱電勢，從而影響測溫精度呢?下述熱電偶的三個基本定律，回答了上述問題。1中間導(dǎo)體定律

將熱電極B在某位置斷開，接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體兩端溫度相等，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響。根據(jù)中間導(dǎo)體定律，在回路中引入各種儀表和連接導(dǎo)線，不會對熱電勢產(chǎn)生影響；同時允許采用任意的焊接方法來焊制熱電偶，或?qū)蔁犭姌O直接焊接在被測物體表面。2中間溫度定律

熱電偶回路中，工作端溫度為T、參考端為T0時的熱電勢，等于此熱電偶工作端溫度為T、參考端為Tn時的熱電勢和工作端溫度為Tn、參考端溫度為T0時的熱電勢的代數(shù)和。中間溫度定律的實(shí)用價值：它為制定熱電偶的分度表奠定了理論基礎(chǔ)，同時也是熱電偶參考端溫度補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。只要求得參考溫度為0℃時的“熱電勢——溫度”關(guān)系，就可通過計(jì)算確定參考溫度不等于0℃時的“熱電勢—溫度”關(guān)系。3標(biāo)準(zhǔn)電極定律

由3種材料成分不同的熱電極A、B、C分別組成3對熱電偶，在相同接點(diǎn)溫度(T，T0)下，如果熱電極A和B分別與熱電極C組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則由熱電極A和B組成的熱電偶的熱電勢可按下式求出。熱電極C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極定律的實(shí)用價值：利用標(biāo)準(zhǔn)電極定律可大大簡化熱電偶選配工作。只要已知任意兩種電極分別與標(biāo)準(zhǔn)電極配對的熱電勢，即可通過計(jì)算求出這兩種熱電極配對組成的熱電偶的熱電勢，而不需要重新通過試驗(yàn)測定。標(biāo)準(zhǔn)電極C通常用純度很高、物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定的鉑制成，稱為標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電極。7.2.3熱電偶的冷端補(bǔ)償為了使熱電勢僅是熱端溫度的單值函數(shù)，必須使參考端溫度保持不變。但是，實(shí)際應(yīng)用中有時參考端與熱源很近，易受測量對象和環(huán)境溫度波動的影響，使參考端溫度難以保持恒定；為此可采用下述措施消除參考端溫度波動的影響。這些措施習(xí)慣上統(tǒng)稱為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。注意，這里所說的“冷端”，是“參考端”的同義詞；相應(yīng)的，“熱端”，是“工作端”的同義詞?！袄涠恕睖囟瓤梢员取盁岫恕睖囟鹊?，也可以比“熱端”溫度高。1冷端的恒溫方式把冰屑和清潔的水相混合，放在保溫瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把熱電偶的冷端置于其中。在一個大氣壓的條件下冰水混合物保持在0℃。這時，熱電偶輸出的熱電勢符合分度表的對應(yīng)關(guān)系。這種方法稱為冰浴法，適用于實(shí)驗(yàn)室。比使冷端保持0℃更簡便、易行的方法，是使冷端保持非0℃的恒定溫度。這時，熱電偶輸出的熱電勢相對于分度表，存在一個恒定系統(tǒng)誤差，便于校正。為此，可以將冷端置于恒溫槽中，使冷端恒溫值略高于環(huán)境最高溫度。為什么要使冷端恒溫值略高于環(huán)境最高溫度而不是低于環(huán)境最高溫度呢？因?yàn)樯郎乇冉禍卦诠こ躺细菀讓?shí)現(xiàn)。還可將冷端置于溫度變化緩慢的容器中，或置于深埋于地下的鐵盒中，或置于充滿絕熱體的鐵管中，等等。2補(bǔ)償導(dǎo)線法為了使冷端遠(yuǎn)離熱源，免受熱源的影響，往往采用補(bǔ)償導(dǎo)線來加長熱電偶，使冷端處于溫度較低或較恒溫的地方。這樣，比較容易保持冷端溫度恒定。補(bǔ)償導(dǎo)線使用價格比熱電極材料便宜的金屬或合金制成，但它們在要求的溫度范圍之內(nèi)，其熱電性能應(yīng)和相配的熱電極熱電性能一致或接近。即：圖7.16熱電偶冷端的延伸無論Tn

還是T0，都屬于環(huán)境溫度，波動范圍不會太大。在這個不太大的溫度范圍內(nèi)，是比較容易找到合適的補(bǔ)償導(dǎo)線材料1）不同的補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用；對于廉價金屬熱電偶，其補(bǔ)償導(dǎo)線就采用與其電極材料相同的合金絲。而對于貴重金屬熱電偶，通常用實(shí)驗(yàn)方法找出熱電特性相同的廉價合金絲作為補(bǔ)償導(dǎo)線。對標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，已經(jīng)有相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線與之配套。這也是標(biāo)準(zhǔn)化工作所帶來的好處之一。2）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶相連的兩個接點(diǎn)1、2的溫度必須相同，且不得超過規(guī)定的范圍(一般為0℃~100℃)。3）補(bǔ)償導(dǎo)線正極、負(fù)極以其絕緣層的顏色來區(qū)分。正負(fù)極性不能接錯，否則反會增大誤差。3冷端溫度自動補(bǔ)償法當(dāng)冷端受環(huán)境溫度影響而起伏變化時，利用放在冷端附近的另一個溫度傳感器來測量這一變化。在熱電偶測量回路中串接一個不平衡直流電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢自動補(bǔ)償熱電偶冷端溫度波動所產(chǎn)生的熱電勢變化量。這個不平衡直流電橋被稱之為冷端溫度補(bǔ)償器。補(bǔ)償電橋的3個橋臂電阻R1、R2、R3用電阻溫度系數(shù)極小的錳銅絲制成，可以認(rèn)為其阻值是恒定值；而另一橋臂電阻RT則用電阻溫度系數(shù)較大的銅合金絲制成，R4為限流電阻。使用時，用延伸導(dǎo)線將熱電偶冷端延伸至補(bǔ)償電橋處，使補(bǔ)償電橋與熱電偶冷端感受同一溫度Tn。當(dāng)冷端溫度Tn變化時，補(bǔ)償電橋中的RT也隨Tn變化。7.2.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶由任意兩種不同的金屬或合金A和B構(gòu)成一個閉合回路，理論上就可以組成一支熱電偶。但為了保證測溫精度和工程上的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，必須對材料進(jìn)行優(yōu)選。按其工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度不同，可劃分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩類。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，是指工藝上比較成熟、能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會(IEC)共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶例7.3某溫度測量系統(tǒng)，要求測量范圍為0℃~800℃，絕對誤差低于10℃。現(xiàn)擬選用二級K型熱電偶、配套補(bǔ)償導(dǎo)線、補(bǔ)償電橋、1.0級顯示儀表組成測量系統(tǒng)，顯示儀表顯示范圍為0℃~800℃，該方案能否滿足要求？顯示儀表本質(zhì)上是電壓表，因此先將各誤差分量折合成電壓后再進(jìn)行誤差合成。查有關(guān)手冊，知二級K型熱電偶在-40℃~333℃的允許誤差為2.5℃,在333℃~1200℃的允許誤差為0.0075T℃

。本系統(tǒng)測量范圍為0℃~800℃，查K型分度表，10℃對應(yīng)0.40mV，330℃對應(yīng)13.457mV，340℃對應(yīng)13.874mV，790℃對應(yīng)32.87mV，800℃對應(yīng)33.29mV。因此在0℃附近，允許誤差2.5℃折合為熱電勢誤差為在333℃附近，允許誤差2.5℃折合為熱電勢誤差為800℃附近的允許誤差為折合為熱電勢誤差為

故取最壞的情況亦即0.25mV作為熱電偶在該測量范圍內(nèi)的允許誤差。查有關(guān)手冊，知K型熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線允許誤差0.15mV，K型熱電偶配套補(bǔ)償電橋允許誤差為0.16mV，1.0級顯示儀表最大誤差折合成電勢為按方和根公式進(jìn)行誤差合成0℃附近，電勢誤差0.47mV折合為溫度誤差為800℃附近，電勢誤差0.47mV折合為溫度誤差為該方案不能滿足要求。0℃附近，電勢誤差0.37mV折合為溫度誤差為若將顯示儀表改選為0.5級，顯示儀表最大誤差折合成電勢為重新進(jìn)行誤差合成800℃附近，電勢誤差0.37mV折合為溫度誤差為改選顯示儀表后滿足要求7.2.5熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

1普通熱電偶工業(yè)上最常用的普通熱電偶由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管、接線盒、接線盒蓋等幾部分組成。補(bǔ)償導(dǎo)線、延伸導(dǎo)線、連接導(dǎo)線等通過接線盒與熱電極連接；圖7.18普通熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒蓋的作用是防止灰塵、水分及有害氣體進(jìn)入保護(hù)套管內(nèi)。保護(hù)套管作用是使熱電極免受化學(xué)侵蝕及機(jī)械損傷；絕緣套管的作用是防止兩個熱電極在中間位置短路；普通熱電偶主要用于測量液體、氣體、蒸汽等流體介質(zhì)的溫度。安裝時可采用螺紋或法蘭方式。根據(jù)測量范圍和環(huán)境氣氛的不同，可選用不同分度號的熱電偶和保護(hù)套管。工程上常用的有鉑銠10—鉑熱電偶、鎳鉻—鎳硅熱電偶、鎳鉻—康銅熱電偶等，都己系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，選用非常方便。

2鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶，又稱纜式熱電偶，是將熱電極、絕緣材料連同金屬保護(hù)套一起拉制成型的。它可做得很細(xì)、很長，其外徑可小到1mm-3mm，而且可以彎曲，適于測量狹小對象上各點(diǎn)溫度。鎧裝熱電偶的主要特點(diǎn)是：測量端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，時間常數(shù)可達(dá)0.01s；有良好的柔性，便于彎曲；抗振性能好，強(qiáng)度高。圖7.19鎧裝熱電偶測量端的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)鎧裝熱電偶可制成單芯、雙芯和四芯等，其測量端有碰底型、不碰底型、露頭型和帽型等幾種形式。3薄膜熱電偶薄膜熱電偶是采用真空蒸鍍的方法，把兩種熱電極材料分別沉積在絕緣基片上而形成的，是一種快速測溫元件。由于采用蒸鍍工藝，熱電偶可以做得很薄，而且尺寸可做得很小。它的特點(diǎn)是熱容量小、響應(yīng)速度快，特別適用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。圖7.20薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖7.2.6單片熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路

目前，市場上已經(jīng)有多種單片熱電偶信號調(diào)理器、冷端溫度補(bǔ)償器等專用集成電路可供選用，本節(jié)介紹其中一種，目的是使同學(xué)們對這類專用芯片略見一斑。AD594/595/596/597是美國ADI公司生產(chǎn)的單片熱電偶冷端溫度補(bǔ)償器，其特點(diǎn)是把儀表放大器和熱電偶冷端溫度補(bǔ)償器集成在一個芯片中。它們具有多種用途，除能對不同類型的熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償之外，還可作為線性放大器、攝氏溫度傳感器、溫度控制器和故障報(bào)警器使用。1性能特點(diǎn)1）內(nèi)置冰點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，能分別對J型熱電偶(AD594／596)、K型熱電偶(AD595／597)的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。通過外部電阻改變溫度系數(shù)后，還可對E型、T型熱電偶進(jìn)行補(bǔ)償。2）采用高阻抗差分輸入方式，抑制熱電偶引線上的共模噪聲電壓。3）具有線性放大及溫度補(bǔ)償器、攝氏溫度計(jì)、溫度控制器、熱電偶開路故障報(bào)警器等多種功能，使用靈活。只要從反饋端輸入一個與某一溫度相對應(yīng)的控制信號，即可構(gòu)成恒溫控制器，通過驅(qū)動電路去控制電加熱器以調(diào)節(jié)溫度；改變外部電阻可調(diào)節(jié)溫度控制回差值的大小。4）輸出電壓與攝氏溫度成正比，在0℃～+50℃環(huán)境溫度內(nèi)的電壓溫度系數(shù)為10mV／℃。AD594C／595C的測溫精度為±1℃，AD594A／595A的測溫精度為±3℃，AD596／597為±4℃。5）當(dāng)熱電偶引線發(fā)生開路故障時能輸出報(bào)警信號，可驅(qū)動外部報(bào)警器或LED指示燈。6）采用+5V電源，電源電壓最高不超過+30V；亦可選擇±5V～±15V雙電源供電。典型功耗僅為800μW，工作溫度范圍是-55℃～+125℃。2AD594／595的工作原理AD594／595的內(nèi)部電路主要包括5部分：①差分輸入放大器Al、A2，二者的增益均為G；②加法器；③主放大器A3，其增益為A；④故障檢測電路；⑤由冰點(diǎn)補(bǔ)償器和內(nèi)部電阻構(gòu)成冰點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。ALM+、ALM-為熱電偶開路故障報(bào)警信號輸出端。不需要報(bào)警時，應(yīng)將ALM-端接COM或U-端。U+、U-分別接電源正、負(fù)端COM為公共地IN+、IN-分別為熱電偶信號的正、負(fù)輸入端C+、C-依次為正溫度系數(shù)、負(fù)溫度系數(shù)的調(diào)整端。T+、T-端分別為冰點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的正、負(fù)補(bǔ)償電壓輸出端。COMP為比較信號端；U0為輸出電壓端；FB為反饋端。進(jìn)行溫度補(bǔ)償時，U0端應(yīng)當(dāng)與FB端短接；進(jìn)行溫度控制時，F(xiàn)B端接設(shè)定點(diǎn)電壓；在FB端串聯(lián)一只電阻或者在T-與U0端之間并聯(lián)一只反饋電阻，均可調(diào)節(jié)AD594／595的增益。冷端溫度補(bǔ)償和預(yù)校準(zhǔn)的原理進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償時，熱電偶信號e從IN+、IN-端輸入，經(jīng)過差分放大器A1放大G倍，再由主放大器A，放大A倍，然后從U0端輸出并從FB端又反饋到差分放大器A2的反相輸入端。反饋信號UFB經(jīng)過A2放大G倍，再通過加法器接主放大器的輸入端。由于Al和A2完全對稱，因此反饋信號能精確地與熱電偶信號相匹配。反饋電路經(jīng)過調(diào)整后，可使U0端輸出一個溫度系數(shù)為10mV／℃的電壓信號。J型熱電偶的平均溫度系數(shù)為51.70μV／℃，要想獲得10mV／℃的溫度系數(shù)就必須放大193.4倍，這正是AD594的增益。由于輸入放大器本身還有16μV的失調(diào)電壓疊加在熱電偶信號上，因此AD594的輸出電壓式中，U0的單位是mV(下同)。同理，K型熱電偶的平均溫度系數(shù)為40.44μV／℃，而AD595的增益為247.3倍，也都能放大到10mV／℃。AD595的輸入失調(diào)電壓為11μV，其輸出電壓AD594／595的U0與e、T的對應(yīng)關(guān)系見表7.7。表中所列的U0值與利用式(7.29)或式(7.30)計(jì)算出的結(jié)果是一致的。幾點(diǎn)說明：①J型熱電偶最高可測到+750℃，而K型熱電偶能測到+1250℃。②AD594和AD595均以+25℃作為基準(zhǔn)點(diǎn)，此時U0與T完全對應(yīng)。③U0端可接數(shù)字電壓表，將小數(shù)點(diǎn)定在十位上即可讀出溫度值。④AD594／595還可配置成電壓輸出式模擬溫度計(jì)，其溫度系數(shù)為10mV／℃，測溫范圍是-55℃~+125℃，測量誤差為±1℃(AD594C／595C)或±3℃(AD594A／595A)。當(dāng)冷端溫度亦即環(huán)境溫度TA不等于0℃時，利用冰點(diǎn)補(bǔ)償器可完成冷端補(bǔ)償。冰點(diǎn)補(bǔ)償器的零點(diǎn)就是0℃，其作用是產(chǎn)生一個與TA成正比例的差分補(bǔ)償電壓UB，加至A2的輸入端。UB的溫度系數(shù)也是10mV／℃。UB疊加到e上的效果是產(chǎn)生一個與(TA-0℃)成比例的補(bǔ)償電壓e1，使U0與(e+e1)成比例關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了冷端溫度補(bǔ)償。綜上所述：信號放大的任務(wù)由A1和A3來完成；反饋電路作用是使溫度系數(shù)等于10mV／℃；利用反饋端還能改變AD594／595的增益；冰點(diǎn)補(bǔ)償器的功能是進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。AD594可以直接配接J型熱電偶，但通過預(yù)校準(zhǔn)來調(diào)整補(bǔ)償電壓的零點(diǎn)及溫度系數(shù)之后，亦可配置其他類型的熱電偶。從冰點(diǎn)補(bǔ)償器上還能獲得正溫度系數(shù)補(bǔ)償電壓UT+和負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電壓UT-，二者均與熱力學(xué)溫度(K)成正比。UT+、UT-分別從T+、T-端輸出。若在T+與COM端間接下拉電阻，會使UT+減小；在T+與C+端之間接一只電阻，會使UT+增大。需要注意，僅當(dāng)T-端跟蹤測試電壓時，才能對T+端進(jìn)行調(diào)節(jié)。E型熱電偶的溫度系數(shù)為60.9μV／℃。AD594配E型熱電偶時必須重新調(diào)整零點(diǎn)，并將補(bǔ)償電壓的溫度系數(shù)擴(kuò)大到(60.9μV／℃)／(51.7μV／℃)=1.18倍。這就是把J型熱電偶轉(zhuǎn)換成E型熱電偶的轉(zhuǎn)換比。進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)應(yīng)滿足下列條件：將AD594置于恒溫環(huán)境中，使之工作在共模輸入方式，將U0端與FB端短接。另外再準(zhǔn)備一塊高輸入阻抗的數(shù)字電壓表，用來測量AD594的輸出電壓。圖7.22E型熱電偶的預(yù)校準(zhǔn)電路

舉例說明，假定環(huán)境溫度TA=+24℃，AD594的初始輸出電壓U0為240mV。首先用DVM測得T-端的電壓UT-=8.3V，在T+與C+端之間接入一只1.8kΩ電阻R1，使UT-升高到U‘T-，并且U’T-=1.18UT-=9.794mV，才能滿足E型熱電偶的需要。要使差分輸入電壓為零時恰好對應(yīng)于0℃，還需要在T-與C-端之間接上電阻R2，取R2=240kΩ時，能使+24℃下的輸出電壓U‘O=1.18U0=283.2mV。最后再調(diào)節(jié)AD594的增益。配E型熱電偶時所需增益為164.2倍。在FB與T-端之間接入電阻R3，取R3=280kΩ時，即可使U'O又調(diào)回到初始電壓240mV，這恰好對應(yīng)于+24℃。3典型應(yīng)用

(1)采用+5V單電源供電

AD594／595配J型或K型熱電偶時的測溫范圍是0℃～+300℃。近距離測溫時熱電偶的負(fù)端可以接地，做單端輸入；遠(yuǎn)程測溫時一般不接地，改做差分輸入。+5V電源接U+端，U-端與COM短接。將U0端與FB端短接時，F(xiàn)B端內(nèi)部的預(yù)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)就連接到U0端上，可提供10mV／℃的溫度系數(shù)。不用報(bào)警功能時應(yīng)將ALM-端接地。(2)采用雙電源電路：可以測量負(fù)溫度或+300℃以上的正溫度。AD594配J型熱電偶時可以測量-200℃～+750℃的溫度；AD595配K型熱電偶后的測溫范圍是-200℃~+1250℃。圖7.24雙電源電路

(3)構(gòu)成溫度控制電路其工作原理是利用熱電偶來檢測電加熱溫度場的溫度，所產(chǎn)生的熱電勢經(jīng)過AD594／595冷端補(bǔ)償、放大后，再與反饋端所加的設(shè)定電壓USET進(jìn)行比較，USET所對應(yīng)的設(shè)定溫度為T1。當(dāng)T<T1時，U0呈低電平(0V)；當(dāng)T>T1時，U0變成高電平(+4V)。U0經(jīng)過驅(qū)動電路去控制電加熱器的通電、斷電狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)恒溫控制。為避免電加熱器的動作過于頻繁，還可增加回差溫度調(diào)節(jié)電路。按圖7.25中虛線所示位置接入電阻R，取R=20MΩ時，流入T+端的電流為200nA，滯后溫度THYST=1℃。適當(dāng)減小R的電阻值可以增加回差溫度。設(shè)置適當(dāng)?shù)幕夭睿箍刂戚敵鼍哂惺┟芴靥匦?，往往是開關(guān)控制方式所必需的。7.2.7熱電偶、熱電阻的安裝與校驗(yàn)1熱電偶、熱電阻的安裝熱電偶、熱電阻在工藝管道上的安裝方式一般采用螺紋連接方式；若安裝在工藝設(shè)備、襯里管道、有色金屬管道、非金屬管道上，或因被測介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性而采用不銹鋼管道、不銹鋼設(shè)備，應(yīng)選用法蘭連接方式，或采用螺紋—法蘭連接方式。螺紋式連接，常用螺紋規(guī)格公制為M27×2，英制為G3/4＂也有用G1/2＂。法蘭式連接接，法蘭的規(guī)格、形式應(yīng)參照管道法蘭、設(shè)備法蘭或參照熱電偶連接法蘭來選取。直形、角形螺紋連接頭、法蘭的材質(zhì)，原則上與管道、設(shè)備材質(zhì)相同，或優(yōu)于管道、設(shè)備材質(zhì)。溫度取源部件的安裝位置，應(yīng)選擇在工藝介質(zhì)溫度變化靈敏并具有代表性的地方，不宜選在閥門附近、節(jié)流部件附近、介質(zhì)流束盲區(qū)、振動較大地方。溫度取源部件在工藝管道上安裝方式，當(dāng)工藝管道管徑較大時，通常采用垂直安裝方式，取源部件軸線應(yīng)與工藝管道軸線垂直相交；當(dāng)工藝管道管徑較小時，為增大熱傳導(dǎo)接觸面積，宜采取傾斜安裝方式，取源部件的軸線應(yīng)逆著工藝介質(zhì)流向，并與工藝管道軸線相交。當(dāng)取源部件必須安裝在工藝管道的拐彎處時，宜逆著工藝介質(zhì)流向，取源部件軸線應(yīng)與工藝管道軸線相重合。當(dāng)工藝管道公稱通徑小于DN80時，取源部件需要安裝在擴(kuò)大管上。安裝取源部件的開孔，不宜開在工藝設(shè)備和管道的焊縫處。在高壓、合金鋼、有色金屬管道和設(shè)備上開孔，應(yīng)采用機(jī)械加工的方法，不可用火炬切割。取源部件的安裝應(yīng)在工藝管道預(yù)制、安裝的同時進(jìn)行，尤其是防腐、襯里管道和砌體或混凝土澆注體上的取源部件，應(yīng)預(yù)埋、預(yù)留。開孔、焊接工作必須在設(shè)備、管道的防腐襯里和壓力試驗(yàn)前完成。焊接方式應(yīng)符合工藝管道焊接專業(yè)的要求，焊條材質(zhì)標(biāo)號的選擇應(yīng)根據(jù)管道和取源部件的材質(zhì)來確定。圖7.26熱電偶（阻）在鋼管上的垂直安裝圖連接件為直形連接頭。墊片的使用條件為：石棉橡膠墊用于溫度低于350℃、壓力低于4.0MPa的場所；氟塑料墊適用于腐蝕性介質(zhì)，溫度低于200℃、壓力低于4.0MPa的場所；石墨復(fù)合墊適于溫度低于600℃、壓力低于6.3MPa的場所。熱電偶、熱電阻的校驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)并經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)處理，確定溫度儀表的輸出信號與溫度的關(guān)系，稱為分度；重新校核分度值的正確與否，稱為校驗(yàn)。分度與校驗(yàn)又常統(tǒng)稱為檢定。分度、校驗(yàn)的原理、方法是相同的，都是將被分度或校驗(yàn)的溫度儀表的檢測元件置于已知的溫度環(huán)境中，通過對儀表的示值與已知溫度進(jìn)行比較，來確定溫度儀表的溫度值。分度和校驗(yàn)的方法有兩種，即定點(diǎn)法和比較法。

定點(diǎn)法是根據(jù)國際溫標(biāo)定義，用若干固定點(diǎn)對溫度進(jìn)行分度。在固定點(diǎn)之間，溫度與儀表輸出量的關(guān)系根據(jù)公式進(jìn)行插補(bǔ)。國際溫標(biāo)所規(guī)定的固定點(diǎn)溫度在定點(diǎn)裝置中實(shí)現(xiàn)，被檢溫度計(jì)置于該裝置中。由于國際溫標(biāo)已經(jīng)對定點(diǎn)溫度作了規(guī)定，因此可將溫標(biāo)值直接傳遞給被檢溫度計(jì)。定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是精確度很高。定點(diǎn)法的主要缺點(diǎn)是對儀器設(shè)備要求較高；實(shí)驗(yàn)過程操作復(fù)雜、時間長、代價高、有一定難度；在整個測量范圍內(nèi)只能分度幾個點(diǎn)，定點(diǎn)之間的插補(bǔ)公式必須是已知的。定點(diǎn)法適用于對高等級標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的分度，以及一些正在研制中的或未定型的溫度計(jì)的分度。定點(diǎn)法的檢定設(shè)備有水三相點(diǎn)瓶、金屬凝固點(diǎn)高溫爐、氬密封三相點(diǎn)容器和低溫槽等。比較法是將被檢溫度計(jì)與高等級的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)置于同一個均勻的溫度場內(nèi)，通過比較而進(jìn)行分度或校驗(yàn)的。這種方法要求恒溫裝置有足夠大的溫度均勻區(qū)作為工作區(qū)域。比較法具有工作效率高、使用方便、分度點(diǎn)可以按需要任意選取等優(yōu)點(diǎn)。比較法的精確度取決于標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的精確度、恒溫裝置工作區(qū)的溫度均勻性、裝置的溫度穩(wěn)定性。比較法的檢定設(shè)備有深低溫恒溫器、低溫恒溫器、水恒溫槽、油恒溫槽、鹽恒溫槽、熱電偶檢定爐等。7.2.8熱電偶溫度變送器凡能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器就稱為變送器。所謂標(biāo)準(zhǔn)信號，是指物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號。直流電流4~20mA、氣體壓力20~100kPa等都是目前通用的標(biāo)準(zhǔn)信號。例如，某溫度變送器測量范圍為0℃~1000℃，意味著被測溫度為0℃時，變送器輸出4mA；被測溫度為1000℃時，變送器輸出20mA；被測溫度在0℃~1000℃之間時，變送器按線性規(guī)律輸出電流信號，即0℃~1000℃的測量范圍平均分16mA。再如，某壓力變送器測量范圍為0MPa~1MPa，意味著被測壓力為0MPa時，變送器輸出4mA；被測壓力為1MPa時，變送器輸出20mA，被測壓力在0MPa~1MPa之間時，變送器按線性規(guī)律輸出電流信號，即0MPa~1MPa的測量范圍平均分16mA。輸出4~20mA直流電流信號的變送器，稱為電動變送器；輸出20~100kPa氣體標(biāo)準(zhǔn)壓力信號的變送器，稱為氣動變送器。由氣/電轉(zhuǎn)換器、電/氣轉(zhuǎn)換器完成電動信號、氣動信號之間的相互轉(zhuǎn)換。信號實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，就便于把變送器和顯示儀表、控制儀表、執(zhí)行裝置組成自動檢測和控制系統(tǒng)，兼容性、互換性也得到改善。這又是標(biāo)準(zhǔn)化工作所帶來的便利。根據(jù)變送器的輸入，溫度變送器可劃分為直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器等，它們分別配套直流毫伏信號、熱電偶、熱電阻。它們都輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，都具有零點(diǎn)調(diào)整、量程調(diào)整功能。熱電偶溫度變送器還具有冷端溫度補(bǔ)償功能，熱電阻溫度變送器還具有引線電阻補(bǔ)償功能。根據(jù)變送器的輸出，溫度變送器還可以劃分為模擬式溫度變送器和智能式溫度變送器，其中前者還有四線制、兩線制、一體化等三種結(jié)構(gòu)形式。模擬式溫度變送器，實(shí)質(zhì)是一套電路，完成熱電偶輸出的毫伏電壓信號或熱電阻輸出的電阻值變化信號到標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號之間的轉(zhuǎn)換。在電動變送器中，之所以規(guī)定4mA為信號下限，主要目的是為了提供變送器電路所需的靜態(tài)工作電流。在四線制溫度變送器中，電源線、輸出信號線各占兩根線，其電源輸入端和信號輸出端之間具有隔離變壓器，并采取了安全火花防爆措施，具有良好的抗干擾性能，能測量來自危險(xiǎn)場合的溫度信號。在二線制溫度變送器中，電源線、輸出信號線共用兩根線，結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用方便，適于對防爆要求不高的場合。一體化溫度變送器，是指測溫傳感器和變送器作成一個整體，具有體積小、重量輕、現(xiàn)場安裝方便、輸出信號抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)傳的優(yōu)點(diǎn)，其變送器模塊一般采用全密封結(jié)構(gòu)，用環(huán)氧樹脂澆注，抗振動、防潮濕。圖7.27兩線制熱電偶溫度變送器電路原理圖智能式溫度變送器，是在傳感器、變送器技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融入微處理器技術(shù)，可以同時輸出模擬標(biāo)準(zhǔn)信號和數(shù)字信號，或只輸出數(shù)字信號。智能變送器的精度、穩(wěn)定性、可靠性均優(yōu)于模擬式變送器，可以通過現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)與上位計(jì)算機(jī)連接。智能變送器包括硬件、軟件兩大部分，各公司的硬件具體結(jié)構(gòu)和軟件