溫度測量方法熱電阻非接觸新

第三節(jié)熱電阻測溫

工業(yè)上廣泛應用電阻溫度計來測量―200～＋500℃之間的溫度。

特點:準確度高；在中低溫下（500℃以下）測溫,它的輸出信號比熱電偶的要大得多,故靈敏度高；電阻溫度計的輸出是電信號，因此便于信號的遠傳和實現(xiàn)多點切換測量。

組成:由熱電阻、顯示儀表和連接導線組成，熱電阻由電阻體、絕緣套管和保護套管等主要部件組成。

一、測溫原理●根據(jù)材料不同，測溫熱電阻可分為金屬和半導體熱電阻兩種?！駥嶒炞C明，大多數(shù)金屬導體當溫度升高1℃時，其阻值要增加0.4％～0.6％，半導體的阻值要減小3％～6％。正是由于導體和半導體的電阻值會隨溫度而變化，因此測量它們的電阻值變化便可達到測溫的目的。●并不是任何材料都選用來制作熱電阻。對制作熱電阻的材料有很多要求,其中有一點是選用的材料的電阻溫度系數(shù)要大。

電阻溫度系數(shù)的定義是：溫度變化l℃時電阻值的相對變化量，用α來表示，單位是℃-1，根據(jù)定義，α用下式表示：

一般材料的溫度系數(shù)α并非常數(shù)，在不同的溫度下具有不同的數(shù)值。因此常用（R100－R0）／（R0×100）代表0～100℃之間的平均溫度系數(shù)，其中R100表示100℃時的電阻值，R0表示0℃時的電阻值?！鉃槭裁匆笾谱鳠犭娮璧牟牧系碾娮铚囟认禂?shù)要大？

二、標準化熱電阻

1、鉑電阻

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特點：穩(wěn)定性好、準確度高、性能可靠，在還原性氣氛中，特別是在高溫下很容易被還原性氣體污染，鉑絲將變脆，并改變了電阻與溫度間的關系；

?

純度要求：鉑的純度常以R100/R0來表示。對于工業(yè)用鉑電阻，規(guī)定其R100/R0為1.385；

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分度號：Pt10和Pt100；（注意10和100的含義）

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分度關系：鉑電阻的溫度特性可用下列二式表示：在一200～0℃之間

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]在0～850℃之間

Rt=R0(1+At+Bt2)

以上兩式中Rt——t℃時的電阻值；

R0——0℃時的電阻值；

A，B，C——常數(shù)，對于工業(yè)用鉑電阻，A＝3.90802×10-3℃-1，B＝－5.802×10-7℃-2,C=－4.27350×10-12℃-4

2、銅電阻

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特點：銅電阻的電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，它的電阻溫度系數(shù)也比較大，而且材料容易提純，價格比較便宜，所以在一些測量準確度要求不是很高、而且溫度較低的場合，可使用銅電阻，它的測量范圍是一50～＋150℃。銅電阻的缺點是：在250℃以上容易氧化，因此只能用在低溫及沒有腐蝕性的介質(zhì)中；銅的電阻率ρ比較小，做成一定阻值的熱電阻時體積就不可能很小。

?

純度：我國規(guī)定工業(yè)用銅電阻的R100/R0＝1.428。

?

分度號：銅電阻的分度號是Cu50和Cul00，表示其R0分別為50Ω及100Ω。

?

分度關系：銅電阻在其測量范圍內(nèi)的溫度特性可用下式表示：

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)式中Rt——t℃時的電阻值；

R0——0℃時的電阻值

A，B，C——常數(shù)，對于工業(yè)用銅電阻，A＝4.28899×10-3℃-1,B＝－2.133×10-7℃-2，C＝1.233×10-9℃-3。由于銅電阻的特性在0～100℃之間基本上是線性的，所以在0～100℃之間的溫度特性可以用下式表示：

Rt=R0(1+αt）式中α——0～100℃之間的溫度系數(shù)，等于4.28×10-3℃-1。3、鎳電阻

鎳電阻的溫度系數(shù)α較大，因此其靈敏度比鉑和銅的高。當溫度超過200℃時，α具有特異點，因此規(guī)定鎳電阻的使用溫度范圍為一60～＋180℃。鎳電阻的電阻比R100/R0＝1.617。由于鎳電阻的制造工藝較復雜，很難獲得α相同的鎳絲，因此它的測量準確度比鉑電阻低，制定標準很困難，我國雖已規(guī)定它為標準化熱電阻，但尚未制訂出相應的標準分度表。它的分度號有Ni100，Ni300，Ni500。對Ni100而言，它的溫度特性為

Rt=100+At+Bt2+Ct4

式中：A，B，C為常數(shù)，對于R100/R0＝1.618的鎳電阻，A＝0.5485℃-1；B＝0.665×10-3℃-1；C＝2.805×10-9℃-4

。三、半導體熱敏電阻測溫范圍：一100～＋300℃材料：金屬氧化物以一定比例混合分類：NTC、PTC、CTR結構：珠形、圓片形和棒型NTC的電阻溫度特性:RT=AeB/T優(yōu)點（與金屬測溫電阻相比）四、工業(yè)用熱電阻的結構由熱電阻體、引出線、絕緣骨架、保護套管、接線盒等部分組成。其中保護套管和接線盒的外形及其功能、要求和熱電偶基本相同。

1、絕緣骨架絕緣骨架是用以纏繞、支撐和固定熱電阻絲的支架。它的質(zhì)量影響熱電阻的技術性能。

2．熱電阻體

3、引出線（l）兩線制（2）三線制（3）四線制

4、鎧裝熱電阻

鎧裝熱電阻是將熱電阻體（感溫元件）焊到由金屬保護套管、絕緣材料和金屬導線三者經(jīng)拉伸而成的細管導線上形成的，然后在外面再焊一段短管做保護套管，在熱電阻體與保護套管之間填滿絕緣材料，最后焊上封頭，其結構如圖所示。熱電阻的結構

5、膜式鉑電阻

為了提高鉑電阻的抗震性和響應速度，研制出了膜式鉑電阻。

它分厚膜的與薄膜的兩種。厚膜鉑電阻是在一陶瓷基片上印制出條狀鉑膜形成的。由于鉑膜很薄，又在陶瓷基片表面上，所以測溫響應時間很小，約為0.1s。薄膜鉑電阻則是利用真空鍍膜的方法將鉑鍍在陶瓷基片上形成的，其形狀與厚膜的差不多，只是尺寸更小，響應時間更短。

6、帶熱電阻、熱電偶的一體化溫度變送器

●采用一個專用集成電路把熱電阻或熱電偶的輸入信號（電阻或電勢）轉(zhuǎn)變成4～20mA的標準輸出信號，其中與熱電偶相配用的集成電路還有冷端溫度補償性能?！裼械膶Ｓ眉呻娐愤€具有線性化功能，即將標準熱電阻的電阻與溫度之間的非線性關系轉(zhuǎn)變成變送器輸出電流（4～20mA）與被測溫度之間的線性關系，或使熱電偶所感受的溫度與變送器輸出電流（4～20mA）之間呈線性關系?！駥Ｓ眉呻娐返捏w積很小，因而可裝在熱電阻或熱電偶的接線盒內(nèi)。供電電壓一般為直流24V，多采用二線制，即供電線也就是輸出信號線。裝有顯示儀表的一體化溫度變送器可以就地顯示溫度值?！襁@種一體化溫度變送器可應用于具大量溫度測點的集控系統(tǒng)。

五、電阻的測量方法

對于熱電阻阻值的測量,在實驗室常用手動電位差計和手動平衡電橋,在工業(yè)上常采用不平衡電橋和自動平衡電橋。任何測量電阻的方法，都應注意：（1）通過熱電阻的電流不能超過允許值；（2）連接導線的阻值要固定；（3）連接導線的接線方式要盡量能消除環(huán)境溫度的影響（采用三線制和四線制接線方式）下面主要介紹電橋測量法。1、用手動平衡電橋測電阻

原理圖三線制連接圖2、用自動平衡電橋測電阻3、用不平衡電橋測電阻配熱電阻的動圈表XCZ-102六、熱電阻的校驗工業(yè)熱電阻的校驗采用比較法。復水器出口水溫（熱電阻）

第四節(jié)接觸測溫方法的討論一、管內(nèi)流體溫度的測量

減小誤差的方法（1）從熱電偶的結構考慮（2）從溫度計的安裝方式考慮各種測溫管裝置方案的測量誤差比較

熱套式熱電偶1-熱套式熱電偶；2-充滿介質(zhì)的熱套；3-保溫層；4-安裝插座二、壁面溫度測量采用熱電偶來測量固體表面溫度（a）點接觸（2）面接觸（3）等溫線接觸（4）分立接觸

三、高溫氣體溫度測量減小誤差的方式（1）加防輻射隔離罩；（2）減小測溫管的總輻射發(fā)射率；（3）采用雙熱電偶測溫，通過計算消除誤差；（4）采用抽氣熱電偶。

第五節(jié)非接觸式測溫儀表

非接觸式測溫儀表的任何部分都不與被測對象接觸，它通過測量物體的輻射能或與輻射能有關的信號來實現(xiàn)溫度測量，因此又稱為輻射式測溫儀表。特點：不存在因接觸傳熱而產(chǎn)生的測溫傳熱誤差；理論上講，測溫上限不受測溫傳感器材料的限制，可高達2000℃以上；動態(tài)性能好，反應快等,可測運動物體的溫度。因低溫下物體的輻射能力很弱，因此輻射式儀表多用來測700℃以上的高溫。但用紅外測量儀表，也可測低達100℃左右的溫度。一、輻射測溫的基本原理

1.準備知識

輻射熱輻射

輻射出射度指物體單位表面積在單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長范圍的輻射能量的總和，并以符號M表示。光譜輻射出射度物體單位表面積單位時間內(nèi)在波長λ處的dλ波段內(nèi)所輻射的能量為dM，則把稱為物體在波長λ處的光譜輻射出射度（又稱單色輻射出射度）。黑體、白體、透體、黑度（發(fā)射率）溫度測量中，主要涉及的波長范圍是可見光與0.76～20μm的紅外光區(qū)。

輻射出射度M與光譜輻射出射度Mλ之間存在如下關系：

2.熱輻射的基本定律(1)普朗克公式定律

普朗克定律給出了全輻射體的光譜輻射出射度與溫度的關系，這是光學高溫計和光電高溫計等的理論基礎。

在溫度T＜3000K和可見光波長（波長λ較小）范圍，該公式可以簡化成維恩公式

對實際物體

式中M——實際物體的光譜輻射出射度；

ελ——實際物體在波長λ下的光譜發(fā)射率（光譜黑度）。

（2）斯忒藩一玻爾茲曼定律可見，全輻射體的輻射出射度M0是溫度的單值函數(shù)，二者一一對應，這是輻射高溫計的理論依據(jù)。

實際物體的全輻射出射度為

M＝εM0＝εσT4

式中M——實際物體的全輻射出射度；

ε——實際物體的全輻射發(fā)射率（發(fā)射率）。

實際物體的光譜發(fā)射率ελ和發(fā)射率ε均小于1，各種物體的ελ和ε值一般只能通過實測求得。

輻射式測溫儀表可分為兩大類。

一類以某一波長下的光譜輻射（又稱單色輻射）理論為基礎，有光學高溫計、光電高溫計及比色高溫計、紅外測溫儀等；另一類以全輻射理論為基礎，全輻射高溫計及部分輻射高溫計屬于此類。

二、光學高溫計

1.理論依據(jù)：普朗克定律。

在可見光的波長范圍（0.35～0.75μm）內(nèi)，高溫物體的熱輻射以光的形式表現(xiàn)出來，輻射的強度與光的亮度之間有一定的關系。在某一波長下的光譜輻射亮度（又稱單色亮度）與同一波長下的光譜輻射出射度成正比。對全輻射體其關系為對實際物體有

結論：在可見光波長范圍內(nèi)的某一波長下，對一個確定的物體（可近似認為已固定不變），其光譜輻射亮度（即單色亮度）與溫度之間存在單值對應關系。利用這個性質(zhì)即可測溫。但直接測光譜輻射亮度較難實現(xiàn)，光學高溫計采用了的亮度比較的方法。

2.結構國產(chǎn)WGGZ型光學高溫計是一種使用較廣的隱絲式光學高溫計。由光學系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)兩部分組成。光學系統(tǒng)包括物鏡、目鏡、燈泡、紅色濾光片、灰色吸收玻璃等。電氣系統(tǒng)包括燈泡、電源、調(diào)整電阻及測量線路。

l一物鏡；2—灰色吸收玻璃；3一燈泡；4一目鏡；

5一紅色濾光片；6一顯示儀表思考：紅色濾光片和灰色吸收玻璃的作用是什么？

光學高溫計必須在某一定的波長下進行單色亮度比較。光學高溫計采用紅色濾光片與人眼構成了“單色器”，使人眼只能觀察到波長為0.6～0.7μm范圍的紅色可見光（如圖陰影部分），其平均波長約為0.66μm。人眼與紅色濾光片配合的視見光譜范圍

1一人眼相對視見函數(shù)曲線μλ；

2一紅色濾光片光譜透過率曲線τλ

灰色吸收玻璃的作用：光學高溫計采用的是鎢絲燈泡，當溫度高達1400℃時，鎢絲會發(fā)生升華使燈泡的性能改變。這就限制了光學高溫計的測溫上限。光學高溫計附加了灰色吸收玻璃，單色光透過這種玻璃時其吸收作用會使亮度減弱。在結構上把灰色玻璃置于物鏡與燈絲之間，這樣人眼觀察到的是燈絲的亮度和被灰色玻璃削弱了的被測物體的亮度,在燈絲溫度不超過1400℃的情況下能測量更高的溫度。

燈絲與物像亮度比（a）燈絲亮度低（b）燈絲亮度偏高（c）燈絲和物象亮度一致（燈絲隱滅）

光學高溫計的優(yōu)點：結構簡單、測溫上限高、在輻射式溫度計中精確度與靈敏度均最高等優(yōu)點。

缺點：亮度比較的判斷及調(diào)整均要人工進行，不能連續(xù)自動進行測量，同時帶來人員的主觀誤差。另外，由于人眼只能看到可見光，這限制了被測物體的溫度不能低于700℃。3.光學高溫計的幾個有關問題:(1）亮度溫度與示值的修正

“亮度溫度”的概念：如全輻射體的單色亮度與溫度為T的實際物體的單色亮度相等，則全輻射體的溫度稱為該實際物體的亮度溫度，并以Ts表示。根據(jù)亮度溫度的定義，可推導物體實際溫度T與其亮度溫度的關系：由于Lλ=L0λ即經(jīng)整理可得因為一般物體ελ＜1，所以T＞Ts

。

光學高溫計的標尺是直接按溫度刻度的，即可直接讀出溫度值，而且分度是按全輻射體（即ελ=1）的條件進行的，因此儀表顯示的溫度值實際上是在對應亮度下全輻射體的溫度，也即亮度溫度Ts

。在測實際物體溫度時，光學高溫計的溫度示值必須修正.

（2）影響光學高溫計測量精確度的因素

影響光學高溫計測量精確度的因素比較多，主要有以下幾個：

1）發(fā)射率ελ的影響

2）中間介質(zhì)的影響

光學高溫計三、光電高溫計

光電高溫計由光學系統(tǒng)與測量、放大顯示兩大部分組成。這里介紹的國產(chǎn)WDL一31型光電高溫計，其原理系統(tǒng)圖如圖所示。光電高溫計具有以下優(yōu)點。（l）既可在可見光，又可在紅外光波長下工作，有利于用輻射法測低溫；（2）分辨率高，光學高溫計最高為0.5℃，而光電高溫計可達0.01～0.05℃；（3）精確度高，由于采用性能良好的干涉濾光片（或單色器），提高了儀表的單色性，因而不確定度減小。例如，2000℃時的不確定度可小到土0.25℃；（4）可連續(xù)自動測量，響應快。四、輻射高溫計

1.原理：物體的輻射出射度與其溫度的關系為

M=εσT4

對確定的物體，可近似認為其發(fā)射率ε為定值，那么M與T將呈單值對應關系，測出輻射出射度M與其發(fā)射率ε即可知其溫度。輻射高溫計能連續(xù)自動測溫。

2.組成：輻射高溫計由輻射傳感器和顯示儀表組成，輻射傳感器又由光學系統(tǒng)與輻射變換器兩部分構成。前者的作用是接收并聚集輻射能；后者把輻射能轉(zhuǎn)換成相應的電信號以便由顯示部分直接顯示溫度值。光學系統(tǒng)有透射式、反射式和混合式幾類。輻射變換器主要有熱電式和光電式兩種。

輻射高溫計的結構示意圖（沒有接顯示儀表）（a）透鏡式；（b）反射鏡式；（c）透鏡式輻射傳感器全貌

l一物鏡；2一外殼；3一光欄；4一熱電堆；5一目鏡；6一輸出端子；7一保護玻璃；8一反射鏡；9一小孔；10一云母片；11一銅殼；12一玻璃泡；13一鉑黑片3.光學高溫計的幾個有關問題（1）“輻射溫度”的概念：若溫度為T的物體的輻射出射度與全輻射體在溫度T0下的輻射出射度相等，則把全輻射體的溫度Tp稱為該物體的輻射溫度。由此定義可求出被測溫度T與輻射溫度Tp之間的關系：因

εσT4=σTp4有

●

儀表的分度是把被測體作為全輻射體來實現(xiàn)的；

●儀表的示值就是被測物體的輻射溫度；

●依據(jù)被測物體的發(fā)射率，利用上面的修正公式對示值進行修正得到被測物體的實際溫度。（2）影響輻射高溫計測量精確度的主要因素如下：

1）發(fā)射率ε的影響

2）熱電堆冷端溫度的影響

3）距離系數(shù)L／D的影響

補償光欄結構示意圖

1-光欄；2-雙金屬片；3-鉑箔四、比色高溫計

1.原理

根據(jù)被測物體在兩個不同波長下的光譜輻射出射度的相互比值與被測溫度的關系，通過測二者的比值進而測知被測溫度。

根據(jù)光譜輻射的維恩公式，同一物體在波長分別為λ1和λ2下的光譜輻射出射度的比值為

式中Mλ1、Mλ2——分別為在波長λ1和λ2下的光譜輻射出射度；

ελ1

、ελ2——物體在波長λ1和λ2時的光譜發(fā)射率；

T——物體的溫度。

經(jīng)整理，可得2.比色溫度的概念溫度為T的物體在波長λ1和λ2下的光譜輻射出射度的比值，與溫度為Tc的全輻射體在同樣的波長λ1和λ2下的光譜輻射出射度的比值如果相等，則把全輻射體的溫度稱為該物體的比色溫度。根據(jù)該定義，經(jīng)過推導可得出物體溫度T與它的比色溫度Tc的關系為3.結構以WDS-Ⅱ型比色高溫計為例，具體介紹比色高溫計的工作原理。

WDS－Ⅱ型光電比色高溫計的光路系統(tǒng)1一物鏡2一平行平面玻璃3一回零通孔硅光電池4一透鏡5一分光鏡6一紅外濾光片7一硅光電池E28一硅光電池El9一可見光濾光片10一反射鏡11一倒像鏡12一目鏡

4.特點它的測量準確度高，中間介質(zhì)的影響小，可在惡劣環(huán)境下工作。五、紅外測溫儀

●

紅外測溫儀是一種測溫上限較低的儀表，可測0～400℃范圍的溫度。而前面介紹的幾種輻射式測溫儀表適于測700℃以上的高溫。

●紅外測溫儀依據(jù)的是光譜輻射原理。當物體溫度較低時，光譜輻射出射度最高點向波長較長的紅外線波長區(qū)遷移，紅外測溫儀就工作在這個紅外線波長區(qū)。它的原理和結構與輻射高溫計、光電高溫計相似。

●紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理放大部分及顯示儀表等部分組成。