HG第三章檢測(cè)儀表與傳感器(溫度檢測(cè))綜述

第五節(jié)

溫度檢測(cè)及儀表溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。溫標(biāo)有：華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。概念：溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動(dòng)平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動(dòng)愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過(guò)程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)重要物理量。1溫標(biāo)（1）攝氏溫標(biāo)：以水的冰點(diǎn)為“0”，水的沸點(diǎn)為“100”，中間等分為100份，每份為1度，以O(shè)C表示。（2）華氏溫標(biāo)：冰水融體為“32”，水的沸點(diǎn)為“212”，中間等分為180份，每份為1度，以O(shè)F表示。（3）熱力學(xué)溫標(biāo)----又稱開爾文溫標(biāo)，單位為開爾文（K）。（4）國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)-----是一種符合熱力學(xué)溫標(biāo)又使用簡(jiǎn)單的溫標(biāo)。

最新溫標(biāo)是1990年國(guó)際溫標(biāo)(ITS－90)2測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式：溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象接觸，經(jīng)過(guò)換熱后兩者溫度相等。比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度較高；但因充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。非接觸測(cè)溫：溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過(guò)輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來(lái)推算被測(cè)物體的溫度。

(1)輻射式溫度計(jì)，(2)光纖式溫度計(jì)。不與被測(cè)物體接觸，不破壞原有的溫度場(chǎng)。精度一般不高。一、溫度測(cè)量的主要方法溫度的測(cè)量：以熱平衡為基礎(chǔ)的。溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當(dāng)兩個(gè)冷熱程度不同的物體接觸后就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。3常用溫度計(jì)的種類及適用溫度41、膨脹式溫度計(jì)t=t0tt0玻璃液體溫度計(jì)利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細(xì)管延伸而直接顯示溫度。雙金屬溫度計(jì)不同金屬受熱膨脹不同，雙金屬片在受熱情況下發(fā)生彎曲而顯示溫度。52、壓力式溫度計(jì)利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進(jìn)行測(cè)量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細(xì)管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）。6二、

熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度自動(dòng)測(cè)量。它的測(cè)溫范圍為：-270～+1800℃。是廣泛應(yīng)用的溫度檢測(cè)系統(tǒng).常用來(lái)測(cè)量中高溫。-71、工作原理與熱電效應(yīng)將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端相接組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)分別置于兩種不同的溫度時(shí)，則在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成回路電流.這種現(xiàn)象稱塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng).

熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。測(cè)溫時(shí)，將焊接的一端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，稱為測(cè)量端（或工作端、熱端）。另一段一般要求恒定在某一溫度，稱為參考端（或自由端、冷端）。-8熱電勢(shì)的產(chǎn)生擴(kuò)散作用電場(chǎng)作用++--金屬A金屬B不同金屬具有不同的電子密度；兩種金屬接觸面因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散作用而產(chǎn)生電場(chǎng)—熱電現(xiàn)象；電子在擴(kuò)散作用和電場(chǎng)力作用下最終達(dá)到平衡；電子的擴(kuò)散與溫度相關(guān)，溫度越高，擴(kuò)散作用越強(qiáng)。自由電子密度大自由電子密度小9接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)接觸電勢(shì)：溫差電勢(shì)：同一根導(dǎo)體兩端處于不同的溫度，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)（很小可忽略不計(jì)）。K：波爾茲曼常數(shù)，e：?jiǎn)挝浑姾呻娏縩，N為自由電子密度。--10熱電偶回路的總的熱電勢(shì)

接觸電勢(shì)的大小與不同導(dǎo)體的電子密度及接點(diǎn)處溫度高低有關(guān).回路熱電勢(shì)的大小僅與材料和端點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸形狀無(wú)關(guān)。當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)熱端溫度的單值函數(shù)-112、熱電偶基本定律如下：中間導(dǎo)體定律：如果插入熱電偶回路的第三根導(dǎo)線兩端的溫度相同，將不影響整個(gè)回路總的熱電勢(shì)。等值替代定律：在某一溫度范圍內(nèi)如果產(chǎn)生的熱電勢(shì)相同，則兩支熱電偶在此溫度范圍內(nèi)可互相代用。均質(zhì)導(dǎo)體定律：由同一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路不可能產(chǎn)生熱電勢(shì)。中間溫度定律：123、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表熱電偶的材質(zhì)要求單位溫度變化的熱電勢(shì)大，且盡量接近線性關(guān)系；熱電性質(zhì)穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕；具有較好的延展性，易于加工；復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)和互換。幾種型號(hào)（分度號(hào)）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶正極負(fù)極長(zhǎng)期工作：1300oCS：鉑銠10-鉑，-50~1768oC;K：鎳鉻-鎳硅，-270~1372oC;長(zhǎng)期工作：900oC13熱電偶的熱電特性使冷端保持0℃時(shí)，得到熱電偶的熱電特性-14溫度的計(jì)算當(dāng)已知冷端溫度不等于0攝氏度時(shí)，如何計(jì)算所測(cè)的溫度值?回路的熱電勢(shì)差表可得熱電偶的分度表見附錄一：第95頁(yè)154、補(bǔ)償導(dǎo)線問(wèn)題引出：熱電偶一般由貴金屬制成，熱電極長(zhǎng)度有限；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)距控制室較遠(yuǎn)；熱電偶冷端暴露于空間，易受周圍環(huán)境溫度影響。解決方法：把熱電偶的冷端延伸到遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象且溫度比較穩(wěn)定的地方。選用一種具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，其材料又是廉價(jià)金屬導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一延長(zhǎng)了熱電偶的冷端；其二是降低了成本。造成浪費(fèi)16帶有補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電偶測(cè)溫原理。顯示儀表AB補(bǔ)償導(dǎo)線A’B’t1t217使用補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)注意的問(wèn)題：不同的熱電偶配不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線有正（絕緣層為紅色）、負(fù)極，分別接熱電偶的正、負(fù)極；補(bǔ)償導(dǎo)線兩個(gè)接點(diǎn)的溫度應(yīng)相同補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸了熱電偶的冷端，當(dāng)冷端溫度不等于0時(shí)需要對(duì)冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。185、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小與熱電極材料和兩節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān),同時(shí)熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表都是以熱電偶參考端溫度等于零為條件的。但實(shí)際上,冷端溫度受周圍溫度的影響不可能保持為C或某一常數(shù)。因此要測(cè)出實(shí)際溫度就必須采取修正或補(bǔ)償措施。常用的補(bǔ)償方法有：冷端溫度保持C法；冷端溫度修正法；校正儀表零點(diǎn)法；補(bǔ)償電橋法；補(bǔ)償熱電偶法；補(bǔ)償是相對(duì)的，因此有一定誤差??！19冷端溫度保持C法；1）冷端溫度保持C法:使冷端溫度處于C。例如：將冷端放在盛有絕緣油的試管中，再置入裝滿冰水混合物的容器中,容器維持在C不變，精度高。用在實(shí)驗(yàn)室和精密測(cè)量，“冰浴法”20冷端溫度修正法；校正儀表零點(diǎn)法2）修正法3）校正儀表零點(diǎn)法設(shè)：冷端溫度恒為t0（t0≠0）,被測(cè)溫度為t！修正公式如下：被測(cè)溫度t的熱電勢(shì)測(cè)量得出的熱電勢(shì)

冷端t0的熱電勢(shì)將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至t0處，相當(dāng)于在輸入熱電偶熱電勢(shì)之前就給顯示儀表輸入了電勢(shì)E(t0,0)。21例：用S型熱電偶測(cè)溫，熱電偶的冷端溫度t0=20℃，測(cè)得熱電勢(shì)為7.32mv，求被測(cè)對(duì)象的實(shí)際溫度t。由分度表查得E(20,0)=0.113mv則：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.434mv再查分度表得其對(duì)應(yīng)的被測(cè)溫度t=808℃解：22補(bǔ)償電橋法；4）、補(bǔ)償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值。銅電阻蜢銅電阻電橋平衡時(shí)的溫度顯示儀表的起始點(diǎn)（機(jī)械零點(diǎn)）在20℃平衡，須把顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)預(yù)先調(diào)整到20℃。23補(bǔ)償熱電偶法；246、熱電偶的結(jié)構(gòu)普通型

通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒等主要部分組成.2.鎧裝熱電偶

它是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體.3.薄膜熱電偶.4.表面熱電偶.25普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)-26鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)-27四、熱電阻測(cè)溫1、金屬熱電阻(熱電阻)2、半導(dǎo)體熱電阻(熱敏電阻)電阻的熱效應(yīng):利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行測(cè)量。TR熱電阻材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。281、金屬熱電阻(熱電阻)銅電阻：測(cè)溫范圍：－50～150C；

Rt=R0(1+t)；近似線性；溫度t℃時(shí)的電阻值

鉑電阻測(cè)溫范圍：－200～850C；Rt=R0(1+At＋Bt2＋Ct3)；當(dāng)0～650

C

分度號(hào)：

Pt10,Pt100溫度升高，阻值增加。結(jié)構(gòu)形式和熱電阻的接線方式。與熱電偶的比較。溫度0℃時(shí)的電阻值

分度號(hào)：

Cu50,Cu10029工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)30工業(yè)熱電阻的引線形式312、半導(dǎo)體熱電阻(熱敏電阻)負(fù)電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC型）指數(shù)關(guān)系優(yōu)缺點(diǎn)32熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式33五、輻射式溫度計(jì)輻射式溫度計(jì)是利用物體的輻射能隨溫度而變化的原理制成的。(非接觸式)檢測(cè)原理：溫度為T的物體對(duì)外輻射的能量E可用普朗克定律來(lái)描述。E（，T），：波長(zhǎng)。在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總能量是溫度的單值函數(shù)；特定波長(zhǎng)上的輻射能是溫度的單一函數(shù)；兩個(gè)特定波長(zhǎng)上的輻射能之比也是溫度的單值函數(shù)。輻射測(cè)溫的基本方法全輻射測(cè)溫法：亮度法：

比色法：根據(jù)輻射體的顏色與溫度相對(duì)應(yīng)的原理，可用光電方法測(cè)量輻射體在不同波長(zhǎng)下的光譜輻射強(qiáng)度之比來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。輻射溫度計(jì)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號(hào)處理與變換電路等部分組成。34六、測(cè)溫元件的安裝注意事項(xiàng)確保測(cè)溫元件與被測(cè)材料有充分的接觸；保持接線盒清潔干燥；防止熱量散失；使用規(guī)定的補(bǔ)償導(dǎo)線，并確保正確接線；一次儀表與二次儀表間的信號(hào)線盡量不要有接頭；信號(hào)線盡量單獨(dú)穿管敷設(shè)。插入深度要求：量端應(yīng)有足夠的插入深度，應(yīng)使保護(hù)套管的測(cè)量端超過(guò)管道中心線5~10mm。插入方向要求：保證測(cè)溫元件與流體充分接觸，最好是迎著被測(cè)介質(zhì)流向插入，正交90°也可，但切