經(jīng)典溫度溫度測(cè)量方法傳感器

溫度和常用的測(cè)溫方法溫度測(cè)量溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，溫度概念的建立和溫度的測(cè)量都是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。溫度---是一個(gè)基本物理量。常用的測(cè)溫方法溫度這一參數(shù)是不能直接測(cè)量的，一般根據(jù)物質(zhì)的某些特性參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)這些特性參數(shù)的測(cè)量而間接獲取。根據(jù)測(cè)溫傳感器的使用方式，測(cè)溫方法大體分為接觸式和非接觸式兩種。溫度測(cè)量(1)接觸式測(cè)溫法測(cè)溫傳感器敏感元件直接與被測(cè)物體接觸，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，使傳感器與被測(cè)點(diǎn)達(dá)到熱平衡，以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。特點(diǎn)是：由于傳感器與被測(cè)物體接觸，所以測(cè)量比較直觀、可靠，測(cè)溫準(zhǔn)確度較高，但它直接影響被測(cè)物體溫度場(chǎng)的分布。

使用該種方法需要使測(cè)溫元件與被測(cè)物體達(dá)到熱平衡，所以測(cè)溫時(shí)產(chǎn)生較大的時(shí)間滯后，并由此帶來(lái)測(cè)量誤差。測(cè)溫范圍在1600℃以下，通常1000℃以下的溫度容易測(cè)量，1200℃以上的溫度不易測(cè)量。溫度測(cè)量(2)非接觸式測(cè)溫法測(cè)溫傳感器不接觸被測(cè)物體，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測(cè)定物體溫度，故又稱輻射測(cè)溫。特點(diǎn)是：

測(cè)溫傳感器不與被測(cè)物體接觸，也不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，動(dòng)態(tài)測(cè)量反應(yīng)快，適于測(cè)量高溫。受環(huán)境條件影響較大，測(cè)量精度較低。從理論上講，其測(cè)溫上限是無(wú)限的，實(shí)際上一般只用到3000℃。在高溫領(lǐng)域中，使用較多的有輻射高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)和光電高溫計(jì)等。

近些年來(lái)，紅外輻射高溫計(jì)、比色溫度計(jì)的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大。

溫度測(cè)量常用測(cè)溫方法的種類及特點(diǎn)溫度測(cè)量雙金屬溫度計(jì)結(jié)構(gòu)雙金屬溫度計(jì)是把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計(jì)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。故：它不僅用于測(cè)量溫度，而且還用于溫度控制裝置（尤其是開(kāi)關(guān)的“通斷”控制），使用范圍相當(dāng)廣泛。雙金屬溫度計(jì)的工作原理（1）將其一端固定,如果溫度升高,下面的金屬B（例如黃銅）因熱膨脹而伸長(zhǎng)，上面的金屬A（例如因瓦合金）卻幾乎不變，致使雙金屬偏向上翹。溫度越高則產(chǎn)生的線膨脹差越大，引起的彎曲越大。（2）感溫元件通常繞成螺旋形，一端固定，另一端連接指針軸。溫度變化時(shí)，感溫元件的彎曲率發(fā)生變化，并通過(guò)指針軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，在刻度盤上顯示出溫度的變化。溫度測(cè)量溫度測(cè)量熱電溫度計(jì)熱電式傳感器是將溫度的變化轉(zhuǎn)為電量輸出變化的裝置。工程測(cè)量中，又以溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)和電阻變化的方法最為普遍，所以一般將常用的溫度傳感器分為兩大類，即：1。熱電偶------溫度→電勢(shì)2。熱(敏)電阻------溫度→電阻將兩種不同的金屬A

和B連接成圖示的閉合回路。我們稱它為熱電偶。熱電偶A.B

材料稱之為“熱電極”(熱偶的)溫度測(cè)量如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)中的一個(gè)加熱,使其溫度為T,而另一接點(diǎn)為T0即:T>T0

如果在回路中接入“檢流計(jì)”則可看到回路中就有電流產(chǎn)生.這一現(xiàn)象稱之為“熱電效應(yīng)”.這種情況下產(chǎn)生電流的電動(dòng)勢(shì)叫“熱電勢(shì)”并且表示為:熱電勢(shì)=EAB(T,T0)高溫端處的A.B材料結(jié)點(diǎn)稱為:“熱端”或“工作端”.低溫端處的A.B材料結(jié)點(diǎn)稱為:“冷端”或“自由端”.

熱電偶作為為傳感器,即:它可以實(shí)現(xiàn)將被測(cè)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào),而后經(jīng)后接儀表測(cè)出電勢(shì)的大小,就實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量.溫度測(cè)量由理論分析可知:熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(T,T0)是由“接觸電勢(shì)”和“溫差電勢(shì)”兩部分組成.即:EAB(T,T0)=接觸電勢(shì)(一)接觸電勢(shì)(Poltier電勢(shì))1793年,伏打發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩種不同的金屬相互接觸時(shí).兩種金屬的接觸表面各出現(xiàn)“異號(hào)電荷”,并稱金屬表面之間所產(chǎn)生的電位差為“接觸電勢(shì)”他還發(fā)現(xiàn),接觸電勢(shì)的大小隨兩兩接觸的金屬不同而大小不同.

并且發(fā)現(xiàn),所有的金屬導(dǎo)體可以排列一個(gè)序列,序列中任何一種金屬與后一種金屬相接觸,前者帶正電后者帶負(fù)電.鉛.鋅.錫.鎘.鋁.銻.鉍.水銀.鐵.銅.銀.金.鉑.鈀….+溫差電勢(shì)溫度測(cè)量接觸電勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)理

當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B接觸時(shí),由于兩者的電子密度不同,如:NA>NB.電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速度也不同,從A→B的電子比A←B的電子多.

結(jié)果,A失去電子而帶正電荷,B得到電子帶負(fù)電荷.

于是在A,B的接觸面上形成靜電場(chǎng)ES,并且阻礙電子的繼續(xù)擴(kuò)散,A,B之間就形成了電位差VA-VB

即:接觸電勢(shì).溫度測(cè)量式中:eAB(T)和eAB(T0)---為導(dǎo)體A與B的接點(diǎn)在溫度T和T0

時(shí)形成的電位差.---A.B導(dǎo)體在接點(diǎn)溫度為T和T0

時(shí)的電子密度.k---波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23

J/K或1.38×10-10爾格/OCe---單位電荷4.802×10-10絕對(duì)靜電單位對(duì)于熱電偶而言:eAB(T0)eAB(T)低溫端高溫端溫度測(cè)量(二)同一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)(Tomson電勢(shì))單一導(dǎo)體中,如果兩端溫度不同,在兩端間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì),即單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì).機(jī)理:單一導(dǎo)體中由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能,因而向低溫端擴(kuò)散.高溫端因失去電子而帶正電,低溫端由于得到電子而帶負(fù)電,在高低溫端之間形成了一個(gè)電位差,溫差電勢(shì)的大小可表示為---導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0

時(shí)形成的溫差電勢(shì)σ---Tomson系數(shù),即導(dǎo)體兩端溫差為1OC時(shí)所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)溫度測(cè)量(三)熱電偶的熱電勢(shì)溫度測(cè)量值得注意的是在實(shí)際使用中,試驗(yàn)證明:接觸電勢(shì)一般為n/10伏---n伏(特)溫差電勢(shì)一般為n/100伏(特)∵T>T0∴總電勢(shì):EAB(T,T0)中,接觸電勢(shì)EAB(T)所占的比重大.∴A為正極,B為負(fù)極.對(duì)上式整理可得:又∵NA>NB

溫度測(cè)量分析:⒈熱電偶總電勢(shì)與NA.NB

材料電子密度及兩端接點(diǎn)溫度T,T0

有關(guān).⒉電子密度NA.NB

不僅取決于熱電偶材料的特性,而且隨溫度變化,故其是一個(gè)非常量.⒊所以當(dāng)材料一經(jīng)確定,總電勢(shì)EAB(T,T0)就成了溫度T和T0的函數(shù)差.即EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)⒋如果用某種方法使“冷端”溫度T0恒定,則對(duì)一定的材料的熱電偶其總電勢(shì)就只與T成單值函數(shù)關(guān)系.即EAB(T,T0)=f(T)–C=φ(T)式中:C為由恒定溫度決定的常數(shù),關(guān)系式由實(shí)驗(yàn)獲得,測(cè)量時(shí)很有用處.溫度測(cè)量由上述原理,所以產(chǎn)生了各種材料熱電偶的分度表。

國(guó)際電工委員會(huì)向世界各國(guó)推薦8種熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶也有8種。分別是：鉑銠10-鉑(分度號(hào)為S)鉑銠13-鉑(R)鉑銠30-鉑銠6(B)鎳鉻-鎳硅(K)鎳鉻-康銅(E)鐵-康銅(J)銅-康銅(T)鎳鉻硅-鎳硅(N)(四)常用熱電偶適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應(yīng)用的有40~50種。溫度測(cè)量1)鉑銠10-鉑熱電偶由φ0.5mm的純鉑絲和直徑相同的鉑銠絲制成。鉑銠絲為正極,

純鉑絲為負(fù)極。它的特點(diǎn)是熱電性能好，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用。長(zhǎng)期適用的溫度為1400℃，短期使用溫度為1600℃。在所有的熱電偶中，它的準(zhǔn)確度等級(jí)最高,

通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量高溫的熱電偶，其使用溫度范圍廣（0~1600℃），均質(zhì)性及互換性好；其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴,熱電勢(shì)較小，需配靈敏度高的顯示儀表。2)鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極。其特點(diǎn)是：使用溫度范圍寬（-50~1300℃)高溫下性能較穩(wěn)定，熱電動(dòng)勢(shì)和溫度的關(guān)系近似線性，價(jià)格便宜，因此是目前用量最大的一種熱電偶。它適用于在氧化性和惰性氣氛中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃，長(zhǎng)期使用溫度為1000℃。常用熱電偶的特性溫度測(cè)量鎳鉻為正極，康銅為負(fù)極。它的最大特點(diǎn)是在常用熱電偶中熱電動(dòng)勢(shì)最大，即靈敏度最高，適宜在－250~870℃范圍內(nèi)的氧化性或惰性氣氛中使用,尤其適宜在0℃以下使用。在濕度大的情況下，較其它熱電偶耐腐蝕。3)鎳鉻—康銅熱電偶純銅為正極，康銅為負(fù)極。其特點(diǎn)是：在賤金屬熱電偶中準(zhǔn)確度最高，熱電絲均勻性好，使用溫度范圍為-200～

350℃。4)銅-康銅熱電偶此外，還有非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，有鎢錸系列（屬難融金屬），鉑銠系列，銥銠系列，鉑鉬系列及非金屬熱電偶等。溫度測(cè)量各種材料熱電偶的分度表熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國(guó)從1991年開(kāi)始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。溫度測(cè)量（五）熱電偶基本定律由可看出:⒈當(dāng)材料相同時(shí),即NA/NB=1,則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何變化,回路中總電勢(shì)EAB(T,T0)=0.⒉如果熱電偶兩端溫度相同T=T0,盡管導(dǎo)體A.B材料不同,回路總電勢(shì)亦為“零”.EAB(T,T0)=0.⒊熱電偶A.B熱電勢(shì)與A.B材料的中間溫度無(wú)關(guān)、與電偶的形狀、大小無(wú)關(guān).而只與接點(diǎn)溫度有關(guān).⒋熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線,只要第三種導(dǎo)線兩端的溫度相等,對(duì)熱電偶的總電勢(shì)沒(méi)有影響.并稱之為“

中間導(dǎo)體定律

”溫度測(cè)量代入上式:當(dāng)2.3點(diǎn)溫度為T0

時(shí)且T>T0

材料為C證明：只要第三種導(dǎo)線兩端的溫度相等,對(duì)熱電偶的總電勢(shì)沒(méi)有影響.溫度測(cè)量∵∴證明：只要第三種導(dǎo)線兩端的溫度相等,對(duì)熱電偶的總電勢(shì)沒(méi)有影響.溫度測(cè)量⒌標(biāo)準(zhǔn)電極定律溫度測(cè)量根據(jù)中間導(dǎo)體定律則：其中C

導(dǎo)體，稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（鉑制成），如果已求出各種電極對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電勢(shì)特性，可大大簡(jiǎn)化熱電偶的配選工作。當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T,T0

時(shí),用導(dǎo)體A.B組成熱電偶的熱電勢(shì)于,A.C

與C.B熱電偶的熱電勢(shì)之代數(shù)和.溫度測(cè)量（六）冷端溫度補(bǔ)償從熱電偶的工作原理及關(guān)系式EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)可知：熱電勢(shì)的大小，取決于冷、熱端的溫度之差如果冷端溫度不是恒定的,而是波動(dòng)的.所測(cè)得的溫度就不是實(shí)際溫度,即會(huì)產(chǎn)生誤差.為了消除這種影響,常采用冷端補(bǔ)償方法進(jìn)行.⒈補(bǔ)償導(dǎo)線法溫度測(cè)量為了保證冷端溫度恒定,常將其置于恒溫箱中.由于熱端加長(zhǎng)必造成浪費(fèi),如果采用某種導(dǎo)線將冷端延伸出來(lái),(導(dǎo)線在0-100OC范圍內(nèi)其熱電性質(zhì)與該熱端相近),該導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線.例:試證明補(bǔ)償導(dǎo)線的作用解:總電勢(shì)為:EAB(T,T0)=ECD(T,T0)恒溫箱溫度測(cè)量設(shè):回路各點(diǎn)溫度相同,即:總熱電勢(shì)=0將(b)代入(a)式∵EAB(T,T0)=ECD(T,T0)∴即:ECD(t1,T0)

=

EAB(t1,T0)溫度測(cè)量上式說(shuō)明:①采用了補(bǔ)償導(dǎo)線后,能使熱電偶冷端延長(zhǎng)到所需要的(0OC)地方.②如果沒(méi)有補(bǔ)償導(dǎo)線而用普通銅線,回路總熱電勢(shì)EAB(T,T0)因有:

EAB(T,t1)熱電勢(shì)變小了.③只有采用了補(bǔ)償導(dǎo)線,將冷端“搬家”到“0OC”

中去,使得損失的

EAB(t1,T0)得到補(bǔ)償.由銅線段造成的損失溫度測(cè)量補(bǔ)償導(dǎo)線的類型I類型通常是和所配用熱電極相同的合金；Ⅱ類型通常是和所配熱電極不相同的合金。表中:例:

分度號(hào)為K的熱電偶誤用了分度號(hào)為E的補(bǔ)償導(dǎo)線，但極性連接正確，則儀表的指示如何變化？已知t=500℃，t0’=30℃,t0=20℃。解：若錯(cuò)用補(bǔ)償導(dǎo)線，則根據(jù)中間溫度定律則，熱電偶電勢(shì)為：若用正確的補(bǔ)償導(dǎo)線，則和溫度t0’

無(wú)關(guān)，熱電偶電勢(shì)為：補(bǔ)償導(dǎo)線用錯(cuò)，指示值偏高。溫度測(cè)量溫度測(cè)量⒉冷端溫度校正法一般在測(cè)量中,都是將冷端置于“0OC”

中,并作出各種熱電偶的溫度-熱電勢(shì)關(guān)系曲線.而實(shí)際測(cè)量時(shí),因種種原因冷端不等于“0OC”,這時(shí)需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正,求得真實(shí)值.當(dāng):誤差為:溫度測(cè)量真實(shí)值示值非:“0

OC”誤差值溫度測(cè)量例:鎳鉻-鎳硅熱電偶(K),工作時(shí)其自由端溫度Tn=30O,測(cè)得熱電勢(shì)E(T,Tn)=38.56mV.求被測(cè)實(shí)際溫度.由熱電偶分度表查出E(30,0O)=1.20mV則E(T,0O)=E(T,30O)+E(30,0O)=39.76(mV)再?gòu)谋碇胁榈闷鋵?duì)應(yīng)溫度為980OC=38.56+1.20隔爆型熱電偶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過(guò)壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí)，不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆，能達(dá)到預(yù)期的防爆、隔爆效果。使用場(chǎng)合工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在