雙金屬溫度計(jì)原理圖課件

第6章溫度檢測(cè)技術(shù)6.1溫度與標(biāo)定6.2測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn)6.3熱膨脹式測(cè)溫方法6.4熱阻式測(cè)溫方法6.5熱電式測(cè)溫方法6.6輻射法測(cè)溫6.7新型溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)第6章溫度檢測(cè)技術(shù)6.1溫度與標(biāo)定1前言溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)；從熱平衡的觀點(diǎn)看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志；溫度與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)。前言溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科26.1溫標(biāo)與標(biāo)定6．1．1溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)絕對(duì)氣體溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)和國(guó)際溫標(biāo)6.1.2標(biāo)定6.1溫標(biāo)與標(biāo)定6．1．1溫標(biāo)3溫標(biāo)為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和利于傳遞，需要建立一個(gè)衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。利用一些物質(zhì)的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強(qiáng)度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過(guò)這些量來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行間接測(cè)量。溫標(biāo)為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和利于傳遞，需要建立一個(gè)衡量溫度的4經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)華氏溫標(biāo)

1714年德國(guó)人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)。按照華氏溫標(biāo)，則水的冰點(diǎn)為32℉，沸點(diǎn)為212℉經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)華氏溫標(biāo)5經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)

1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

T

℉=t℃+32(6-1) 式中T——華氏溫度值; t——攝氏溫度值。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)6熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)是由開(kāi)爾文(Ketvin)在1848年提出的，以卡諾循環(huán)(Carnotcycle)為基礎(chǔ)。熱力學(xué)溫標(biāo)是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理單位之一。熱力學(xué)溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度——絕對(duì)零度與水的三相點(diǎn)溫度分為273．16份，每份為1K(Kelvin)。熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)是由開(kāi)爾文(Ketvin)在1848年提7絕對(duì)氣體溫標(biāo)從理想氣體狀態(tài)方程入手，來(lái)復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對(duì)氣體溫標(biāo)。由波義耳定律：PV=RT(6-2)

當(dāng)氣體的體積為恒定(定容)時(shí)，其壓強(qiáng)就是溫度的單值函數(shù)。這樣就有：T2/T1=P2/P1絕對(duì)氣體溫標(biāo)從理想氣體狀態(tài)方程入手，來(lái)復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對(duì)氣8國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)指導(dǎo)思想：盡可能地接近熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度要高，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便；1989年7月第77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)建立了新的國(guó)際溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱ITS一90。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)指導(dǎo)思想：盡可能地接近熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度要高，9ITS一90基本內(nèi)容為：

重申國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)單位仍為K；

國(guó)際攝氏溫度和國(guó)際實(shí)用溫度關(guān)系為：把整個(gè)溫標(biāo)分成4個(gè)溫區(qū)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器如下：

①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽溫度計(jì)； ②3.0—24.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計(jì)； ③13.803K—961.78℃，用鉑電阻溫度計(jì)； ④961.78℃以上，用光學(xué)或光電高溫計(jì)；新確認(rèn)和規(guī)定17個(gè)固定點(diǎn)溫度值以及借助依據(jù)這些固定點(diǎn)和規(guī)定的內(nèi)插公式分度的標(biāo)準(zhǔn)儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱力學(xué)溫標(biāo)。見(jiàn)表6-1所示：ITS一90基本內(nèi)容為：10雙金屬溫度計(jì)原理圖課件11標(biāo)定

對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定，有標(biāo)準(zhǔn)值法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法：標(biāo)準(zhǔn)值法就是用適當(dāng)?shù)姆椒ń⑵鹨幌盗袊?guó)際溫標(biāo)定義的固定溫度點(diǎn)(恒溫)作標(biāo)準(zhǔn)值，把被標(biāo)定溫度計(jì)(或傳感器)依次置于這些標(biāo)準(zhǔn)溫度值之下，記錄下溫度計(jì)的相應(yīng)示值(或傳感器的輸出)，并根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定的內(nèi)插公式對(duì)溫度計(jì)(傳感器)的分度進(jìn)行對(duì)比記錄，從而完成對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定；被定后的溫度計(jì)可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來(lái)測(cè)溫度。標(biāo)定對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定，有標(biāo)準(zhǔn)值法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法：12標(biāo)準(zhǔn)表法：把被標(biāo)定溫度計(jì)(傳感器)與已被標(biāo)定好的更高一級(jí)精度的溫度計(jì)(傳感器)，緊靠在一起，共同置于可調(diào)節(jié)的恒溫槽中，分別把槽溫調(diào)節(jié)到所選擇的若干溫度點(diǎn)，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲得一系列對(duì)應(yīng)差值，經(jīng)多次升溫，降溫、重復(fù)測(cè)試，若這些差值穩(wěn)定，則把記錄下的這些差值作為被標(biāo)定溫度計(jì)的修正量，就成了對(duì)被標(biāo)定溫度計(jì)的標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)表法：136.2測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn)根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，溫度基本測(cè)量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。接觸式溫度測(cè)量非接觸式溫度測(cè)量6.2測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn)根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，溫度基本測(cè)14接觸式溫度測(cè)量測(cè)溫精度相對(duì)較高，直觀可靠及測(cè)溫儀表價(jià)格相對(duì)較低；由于感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，從而要影響被測(cè)介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會(huì)增加測(cè)溫誤差；被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件性能和壽命等缺點(diǎn)。接觸式溫度測(cè)量測(cè)溫精度相對(duì)較高，直觀可靠及測(cè)溫儀表價(jià)格相對(duì)較15非接觸式溫度測(cè)量感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過(guò)接受被測(cè)物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換，據(jù)此測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度;非接觸式測(cè)溫具有不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)得很高，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點(diǎn)。非接觸式溫度測(cè)量感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過(guò)接受被16接觸式與非接觸式測(cè)溫特點(diǎn)比較方式接觸式非接觸式測(cè)量條件

感溫元件要與被測(cè)對(duì)象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對(duì)象的溫度；被測(cè)溫度不超過(guò)感溫元件能承受的上限溫度;被測(cè)對(duì)象不對(duì)感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準(zhǔn)確知道被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率；被測(cè)對(duì)象的輻射能充分照射到檢測(cè)元件上

測(cè)量范圍

特別適合1200℃以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，對(duì)高于l300℃以上的溫度測(cè)量較困難原理上測(cè)量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測(cè)量誤差大，能測(cè)運(yùn)動(dòng)物體和熱容小的物體溫度精度

工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2及0.1級(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級(jí)通常為1.0、1.5、2.5級(jí)

響應(yīng)速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘快，通常為2～3秒鐘其它特點(diǎn)

整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測(cè)物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測(cè)物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測(cè)溫、控溫一體化的溫度控制裝置接觸式與非接觸式測(cè)溫特點(diǎn)比較方式17各類溫度檢測(cè)方法構(gòu)成的測(cè)溫儀表的大體測(cè)溫范圍各類溫度檢測(cè)方法構(gòu)成的測(cè)溫儀表的大體測(cè)溫范圍186.3熱膨脹式測(cè)溫方法6.3.1.玻璃溫度計(jì)6.3.2壓力溫度計(jì)6.3.3雙金屬溫度計(jì)6.3熱膨脹式測(cè)溫方法6.3.1.玻璃溫度計(jì)19根據(jù)測(cè)溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測(cè)溫又可分為膨脹(包括液體和固體膨脹)式，熱阻(包括金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻)式、熱電(包括熱電偶和PN結(jié))式等多種形式。膨脹式測(cè)溫是基于物體受熱時(shí)產(chǎn)生膨脹的原理，分為液體膨脹式和固體膨脹式兩類。膨脹式溫度計(jì)種類很多，按膨脹基體可分成液體膨脹式玻璃溫度計(jì)、液體或氣體膨脹式壓力溫度計(jì)及固體膨脹式雙金屬溫度計(jì)。根據(jù)測(cè)溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測(cè)溫又可分為膨脹(包括液體和固體20玻璃溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì)簡(jiǎn)稱玻璃溫度計(jì)，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計(jì)最常用的液體，其凝固點(diǎn)為-38.9℃、測(cè)溫上限為538℃。玻璃溫度計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，價(jià)格低廉，測(cè)溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場(chǎng)直接讀數(shù)，一般無(wú)需能源，易破損，測(cè)溫值難自動(dòng)遠(yuǎn)傳記錄。玻璃溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì)簡(jiǎn)稱玻璃溫度計(jì)，是一種直讀式儀表。水21玻璃溫度計(jì)的分類：全浸式：測(cè)溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。局浸式：讀數(shù)容易，但測(cè)量誤差較大，即使采取修正措施其誤差比全浸式仍要大好幾倍或更多。V形工業(yè)玻璃溫度計(jì)玻璃溫度計(jì)的分類：V形工業(yè)玻璃溫度計(jì)22壓力溫度計(jì)壓力溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)其測(cè)溫功能的。壓力溫度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)示意圖壓力溫度計(jì)壓力溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不23這類壓力溫度計(jì)其毛細(xì)管細(xì)而長(zhǎng)(規(guī)格為1—60m)它的作用主要是傳遞壓力，長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，則使溫度計(jì)響應(yīng)愈慢，在長(zhǎng)度相等條件下，管愈細(xì)，則準(zhǔn)確度愈高。壓力溫度計(jì)和玻璃溫度計(jì)相比，具有強(qiáng)度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準(zhǔn)確度較低、耐腐蝕性較差等特點(diǎn)。電接點(diǎn)壓力式溫度計(jì)

這類壓力溫度計(jì)其毛細(xì)管細(xì)而長(zhǎng)(規(guī)格為1—60m)它的作用主要24電接點(diǎn)壓力式溫度計(jì)

WTQ288

型號(hào)WTQ288

公稱直徑（mm）φ100,φ150

測(cè)量范圍（℃）-40~60—20~160

尾長(zhǎng)（m）3-20

精度等級(jí)1.5

連接螺紋M27×2

材料膠木殼體，銅溫包，銅毛細(xì)管

電接點(diǎn)壓力式溫度計(jì)

WTQ288

型號(hào)WTQ288

25雙金屬溫度計(jì)固體長(zhǎng)度隨溫度變化的情況可用下式表示：基于固體受熱膨脹原理，測(cè)量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)差異相對(duì)很大的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬片感溫元件當(dāng)溫度變化時(shí)，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數(shù)差異相對(duì)很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，導(dǎo)致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形。下圖是雙金屬溫度計(jì)原理圖：雙金屬溫度計(jì)固體長(zhǎng)度隨溫度變化的情況可用下式表示：26雙金屬溫度計(jì)原理圖

雙金屬溫度計(jì)原理圖

27雙金屬溫度計(jì)的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測(cè)溫范圍大致為-80℃—600℃，精度等級(jí)通常為1.5級(jí)左右。雙金屬溫度計(jì)抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不太高，只能用做一般的工業(yè)用儀表。雙金屬溫度計(jì)的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩286.4熱阻式測(cè)溫方法6.4.1鉑電阻測(cè)溫6.4.2銅電阻和熱敏電阻測(cè)溫6.4熱阻式測(cè)溫方法6.4.1鉑電阻測(cè)溫29基于熱電阻原理測(cè)溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量、可以遠(yuǎn)傳、無(wú)需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)、有（會(huì)影響測(cè)量精度）自熱現(xiàn)象以及測(cè)量溫度不能太高。基于熱電阻原理測(cè)溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的30鉑電阻測(cè)溫概述鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻—溫度關(guān)系呈非線性，但測(cè)溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。目前工業(yè)用鉑電阻分度號(hào)為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。

當(dāng) ℃時(shí) 當(dāng) ℃時(shí)

鉑電阻測(cè)溫概述31熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu)32熱電阻感溫元件是用來(lái)感受溫度的電阻器。它是熱電阻的核心部分，由電阻絲及絕緣骨架構(gòu)成。作為熱電阻絲材料應(yīng)具備如下條件：①電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定；②使用溫度范圍廣、加工方便；③固有電阻大，互換性好，復(fù)制性強(qiáng)。熱電阻感溫元件是用來(lái)感受溫度的電阻器。它是熱電阻的核心部分，33熱電阻的引線形式內(nèi)引線是熱電阻出廠時(shí)自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測(cè)量及控制裝置相連接。熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種，如圖6-4所示。熱電阻的引線形式34雙金屬溫度計(jì)原理圖課件35兩線制兩線制熱電阻測(cè)量電橋兩線制兩線制熱電阻測(cè)量電橋36三線制三線制37四線制四線制熱電阻測(cè)量電橋四線制四線制熱電阻測(cè)量電橋38銅電阻和熱敏電阻測(cè)溫銅電阻

銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價(jià)格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250℃以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號(hào)分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40℃～120℃。其電阻值與溫度的關(guān)系為：當(dāng) ℃時(shí)銅電阻和熱敏電阻測(cè)溫銅電阻39銅電阻銅電阻40半導(dǎo)體熱敏電阻

熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；②很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)幾乎無(wú)需考慮連線電阻的影響；③體積?。虎軣釕T性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測(cè)量場(chǎng)合；⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng)。半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：41熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：①阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重； ②元件的一致性差，互換性差； ③元件易老化，穩(wěn)定性較差； ④除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍，使用時(shí)必須注意。熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：42熱敏電阻圖示：熱敏電阻圖示：436.5熱電式測(cè)溫方法6.5.1熱電偶測(cè)溫6.5.2集成溫度傳感器AD5906.5熱電式測(cè)溫方法6.5.1熱電偶測(cè)溫44熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕际枪I(yè)和武備試驗(yàn)中溫度測(cè)量應(yīng)用最多的器件，它的特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好；輸出直接為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制。熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕际枪I(yè)和武備試驗(yàn)中溫度測(cè)量應(yīng)用最多的器件，它45測(cè)溫原理熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體A和B連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是1821年塞貝克（Seeback）首先發(fā)現(xiàn)提出，故又稱塞貝克效應(yīng)（如圖6-9所示）。測(cè)溫原理熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體A和B46熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種電勢(shì)組成：溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。熱電偶接觸電勢(shì)是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，而熱電極接點(diǎn)接觸面處就產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種電勢(shì)組成：溫差電勢(shì)和接觸電47熱電偶兩熱電極分別叫A（為正極）和B（為負(fù)極），兩端溫度分別為 且 ；則熱電偶回路總電勢(shì)為：

熱電偶兩熱電極分別叫A（為正極）和B（為負(fù)極），兩端溫度分48熱電偶分類及特性為了得到實(shí)用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能：(1)優(yōu)良的熱電特性； (2)良好的物理性能； (3)優(yōu)良的化學(xué)性能； (4)優(yōu)良的機(jī)械性能； (5)足夠的機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)的使用壽命； (6)制造成本低，價(jià)值比較便宜。熱電偶分類及特性為了得到實(shí)用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極49工業(yè)用熱電偶測(cè)溫范圍工業(yè)用熱電偶測(cè)溫范圍50熱電偶結(jié)構(gòu)普通工業(yè)用熱電偶熱電偶通常主要由四部分組成(如圖6-12所示)：熱電極、絕緣管、保護(hù)管和接線盒。熱電偶結(jié)構(gòu)普通工業(yè)用熱電偶51鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶，是將熱電偶絲和絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)管中制成的熱電偶。鎧裝熱電偶52熱電偶溫度測(cè)量補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線的優(yōu)點(diǎn)：改善熱電偶測(cè)溫線路的機(jī)械與物理性能降低測(cè)量線路的成本節(jié)省貴金屬材料，便于安裝與敷設(shè)；若用直徑粗、電導(dǎo)系數(shù)大的補(bǔ)償導(dǎo)線，還可減少測(cè)量回路電阻。熱電偶溫度測(cè)量補(bǔ)償導(dǎo)線53補(bǔ)償導(dǎo)線使用須注意事項(xiàng)如下：各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用；補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)的溫度，不得超過(guò)規(guī)定的使用溫度范圍；由于補(bǔ)償導(dǎo)線與電極材料通常并不完全相同，因此兩連接點(diǎn)溫度必須相同；在需高精度測(cè)溫場(chǎng)合，處理測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)加上補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值，以保證測(cè)量精度。補(bǔ)償導(dǎo)線使用須注意事項(xiàng)如下：54參比端處理我們經(jīng)常使用的熱電偶分度表，都是以熱電偶參比端為0℃條件下制作的。在工業(yè)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)一般不能使參比端保持0℃?，F(xiàn)在由于計(jì)算機(jī)尤其是微處理器和單片機(jī)推廣普及，因而，智能化測(cè)溫儀普遍按下述以軟件為主的補(bǔ)償方式：當(dāng)熱電偶的測(cè)量端和參比端溫度分別為t、，假定℃，則熱電動(dòng)勢(shì)參比端處理我們經(jīng)常使用的熱電偶分度表，都是以熱電偶參比端為055［例6.1］：用K型熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，測(cè)得參比端溫度t1＝38℃；測(cè)得測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)E(t,38-1)＝29.90mV，試求實(shí)際爐溫。［解］ 由K型分度表查得E(38，0)＝1.53mV，由式(6-11)可得到：

E(t，0)＝E((t,t1)+E((t1,0)＝29.90+1.53=31.43mV再查K型分度表，由31.43mV查得到實(shí)際爐溫755℃。［例6.1］：用K型熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，測(cè)得參比端溫度t1＝3856 上述例子，若參比端不作修正，則按所測(cè)測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)E(t,32)＝29.90mV查K型分度表得對(duì)應(yīng)的爐溫718℃，與實(shí)際爐溫755℃相差37℃，由此產(chǎn)生的相對(duì)誤差約為5%。由此可見(jiàn)，如果不考慮參比端溫度修正、補(bǔ)償有時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)大的（溫度）測(cè)量誤差。 上述例子，若參比端不作修正，則按所測(cè)測(cè)量端和參比端間的熱57集成溫度傳感器AD590美國(guó)AD公司于70年代末推出體積僅同一只小功率高頻晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。半導(dǎo)體AD590集成溫度傳感器AD590美國(guó)AD公司于70年代末推出體積僅同58特點(diǎn)⑴外接線非常簡(jiǎn)單(僅兩根)，使用十分方便；⑵內(nèi)有穩(wěn)壓和恒流電路，對(duì)外接電壓要求非常低；⑶非線性誤差較?。虎仁褂脺囟确秶鸀橐?0—150℃；⑸它具有良好的互換性；⑹采用圖6.13所示的電路，可以把AD590輸出的電流信號(hào)方便地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。特點(diǎn)596.6輻射法測(cè)溫6.6.1幅射測(cè)溫的基本原理6.6.2光譜輻射溫度計(jì)6.6.3比色高溫計(jì)6.6.4紅外測(cè)溫6.6.5紅外成像測(cè)溫儀6.6輻射法測(cè)溫6.6.1幅射測(cè)溫的基本原理60任何物體，其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對(duì)被測(cè)物體熱輻射能量進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而確定被測(cè)物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計(jì)。輻射式溫度計(jì)的感溫元件不需和被測(cè)物體或被測(cè)介質(zhì)直接接觸。任何物體，其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能61幅射測(cè)溫的基本原理輻射式溫度計(jì)的感溫元件通常工作在屬于可見(jiàn)光和紅外光的波長(zhǎng)區(qū)域。輻射式溫度計(jì)的感溫元件使用的波長(zhǎng)范圍為0.3—40μm。相關(guān)概念：絕對(duì)黑體：在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量選擇吸收體：對(duì)輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關(guān)外，還與波長(zhǎng)有關(guān)灰體：吸收(或輻射)本領(lǐng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)幅射測(cè)溫的基本原理輻射式溫度計(jì)的感溫元件通常工作在屬于可見(jiàn)光62如果波長(zhǎng)λ與溫度T滿足C2／(λT)≥1，則可把普朗克公式簡(jiǎn)化為維恩(Wien)公式。在溫度低于3000K，對(duì)于波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光，用維恩公式替代普朗克公式產(chǎn)生的誤差＜1％。如果波長(zhǎng)λ與溫度T滿足C2／(λT)≥1，則可把普朗克公式簡(jiǎn)63

圖6-14黑體的光譜輻射曲線

圖6-14黑體的光譜輻射曲線64從圖中可以看到如下一些規(guī)律：每條曲線均有一個(gè)極大值，而且這個(gè)極值是隨著溫度升高而向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)；不同溫度下的曲線，其曲線峰值點(diǎn)的波長(zhǎng)λm和溫度T均滿足維恩位移定律。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，黑體的總輻射能力與溫度的關(guān)系滿足斯蒂藩一玻耳茲曼定律：從圖中可以看到如下一些規(guī)律：每條曲線均有一個(gè)極大值，而且這個(gè)65綜上所述，任何實(shí)際物體的總輻射亮度與溫度的四次方成正比；通過(guò)測(cè)量物體的輻射亮度就可得到該物體的溫度，這就是輻射測(cè)量的基本原理。綜上所述，任何實(shí)際物體的總輻射亮度與溫度的四次方成正比；通過(guò)66紅外輻射測(cè)溫儀HY-303紅外輻射測(cè)溫儀HY-30367紅外輻射測(cè)溫儀HY-303詳細(xì)信息

采用紅外技術(shù)，測(cè)量時(shí)無(wú)需接觸被測(cè)物體，可以安全地檢測(cè)難以接觸的物體的溫度，如帶電設(shè)備，運(yùn)動(dòng)物體等，對(duì)被測(cè)物體無(wú)污染和損壞。具有測(cè)量速度快，帶激光瞄準(zhǔn)，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

◆

測(cè)量范圍：-15~500℃

◆

發(fā)射率：0.3~1.0數(shù)字可調(diào)

◆

分辯率：1℃

◆

電源L一節(jié)6F22電池紅外輻射測(cè)溫儀HY-303詳細(xì)信息68光譜輻射溫度計(jì)依據(jù)物體光譜輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關(guān)系，可以測(cè)出物體的溫度。目前國(guó)內(nèi)外使用的光譜輻射溫度計(jì)都是根據(jù)被測(cè)物體的光譜輻射亮度來(lái)確定物體的溫度。分類：光學(xué)高溫計(jì)光電高溫計(jì)硅輻射溫度計(jì)光譜輻射溫度計(jì)依據(jù)物體光譜輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關(guān)69光學(xué)高溫計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，使用方便，適用于1000K～3500K范圍的溫度測(cè)量，其精度通常為1.0級(jí)和l.5級(jí)，可滿足一般工業(yè)測(cè)量的精度要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測(cè)量。用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量被測(cè)物體的溫度時(shí)，讀出的數(shù)值將不是該物體的實(shí)際溫度，而是這個(gè)物體此時(shí)相當(dāng)于絕對(duì)黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。光學(xué)高溫計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，使用方便，適用于1000K～370亮度溫度：在波長(zhǎng)為λ、溫度為T時(shí)，某物體的輻射亮度L與溫度為TL的絕對(duì)黑體的亮度L0λ相等，則稱TL為這個(gè)物體在波長(zhǎng)為λ時(shí)的亮度溫度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為在常用溫度和波長(zhǎng)范圍內(nèi)，通常用維恩公式來(lái)近似表示光譜輻射亮度，這時(shí)上式成為光學(xué)高溫計(jì)是在波長(zhǎng)為λ的單色波長(zhǎng)下獲得的亮度。這樣，物體的真實(shí)溫度為

亮度溫度：在波長(zhǎng)為λ、溫度為T時(shí)，某物體的輻射亮度L與溫度71光學(xué)高溫計(jì)通常采用0.66土0.01μm的單一波長(zhǎng)，將物體的光譜輻射亮度Lλ和標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射亮度進(jìn)行比較，確定待測(cè)物體的溫度。光學(xué)高溫計(jì)有三種形式：燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)恒定亮度式光學(xué)高溫計(jì)光電亮度式光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)通常采用0.66土0.01μm的單一波長(zhǎng)，將物體的72燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)原理：由人眼對(duì)熱輻射體和高溫計(jì)燈泡在單一波長(zhǎng)附近的光譜范圍的輻射亮度進(jìn)行判斷，調(diào)節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。WGGZ型光學(xué)高溫計(jì)的示意圖如下圖所示：燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)原理：由人眼對(duì)熱輻射體和高溫計(jì)燈泡在單一73光電高溫計(jì)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，靈敏度高，測(cè)量范圍廣，使用方便。缺點(diǎn)：光學(xué)高溫計(jì)在測(cè)量物體的溫度時(shí)，由于要靠手動(dòng)調(diào)節(jié)燈絲的亮度，由眼睛判別燈絲的“隱滅”，故觀察誤差較大，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和記錄。光電高溫計(jì)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，靈敏度高，測(cè)量范圍廣，使用方74國(guó)產(chǎn)WDL型光電高溫計(jì)的工作原理示意圖

國(guó)產(chǎn)WDL型光電高溫計(jì)的工作原理示意圖75光電高溫計(jì)與光學(xué)高溫計(jì)相比，主要優(yōu)點(diǎn)有：靈敏度高精確度高使用波長(zhǎng)范圍不受限制光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間短便于自動(dòng)測(cè)量與控制光電高溫計(jì)與光學(xué)高溫計(jì)相比，主要優(yōu)點(diǎn)有：76輻射溫度計(jì)輻射溫度計(jì)是根據(jù)全輻射定律，基于被測(cè)物體的輻射熱效應(yīng)進(jìn)行工作的。輻射溫度計(jì)由輻射敏感元件、光學(xué)系統(tǒng)、顯示儀表及輔助裝置等幾大部分組成。輻射溫度計(jì)與光學(xué)高溫計(jì)一樣是按絕對(duì)黑體進(jìn)行溫度分度的，因此用它測(cè)量非絕對(duì)黑體的具體物體溫度時(shí)，儀表上的溫度指示值將不是該物體的真實(shí)溫度，我們稱該溫度為此被測(cè)物體的輻射溫度。輻射溫度計(jì)輻射溫度計(jì)是根據(jù)全輻射定律，基于被測(cè)物體的輻射熱效77輻射溫度計(jì)的敏感元件，分光電型與熱敏型兩大類光電型熱敏型輻射溫度計(jì)的敏感元件，分光電型與熱敏型兩大類78

圖6-17全輻射高溫計(jì)的構(gòu)造示意圖1—物鏡；2—光闌；3—銅殼；4—玻璃泡；5—熱電堆；6—鉑黑片；7—吸收玻璃；8—目鏡；9—小孔；10—云母片

79輻射高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的作用是聚集被測(cè)物體的輻射能。其形式有透射型和反射型兩大類。輻射高溫計(jì)的測(cè)量?jī)x表按顯示方式可分為自動(dòng)平衡式、動(dòng)圈式和數(shù)字式三類。輻射高溫計(jì)的輔助裝置主要包括水冷卻和煙塵防護(hù)裝置。與光學(xué)高溫計(jì)相比較，輻射高溫計(jì)的測(cè)量誤差要大一些。輻射高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的作用是聚集被測(cè)物體的輻射能。其形式有透射80比色高溫計(jì)比色溫度定義為：絕對(duì)黑體輻射的兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的亮度比等于被測(cè)輻射體在相應(yīng)波長(zhǎng)下的亮度比時(shí)，絕對(duì)黑體的溫度就稱為這個(gè)被測(cè)輻射體的比色溫度。絕對(duì)黑體，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)λ1與λ2的光譜輻射亮度之比R，可用下式表示：比色高溫計(jì)比色溫度定義為：絕對(duì)黑體輻射的兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的81根據(jù)比色溫度的定義，應(yīng)用維恩公式，可導(dǎo)出物體的真實(shí)溫度和其比色溫度的關(guān)系：

通常λ1和λ2為比色高溫計(jì)出廠時(shí)統(tǒng)一標(biāo)定的定值，由制造廠家選定。例如選0．8μm的紅光和lμm的紅外光。根據(jù)比色溫度的定義，應(yīng)用維恩公式，可導(dǎo)出物體的真實(shí)溫度和其比82與光譜輻射溫度計(jì)相比，比色高溫計(jì)的準(zhǔn)確度通常較高、更適合在煙霧、粉塵大等較惡劣環(huán)境下工作。國(guó)產(chǎn)WDS—II光電比色高溫計(jì)的原理示意圖如圖6-18所示。與光譜輻射溫度計(jì)相比，比色高溫計(jì)的準(zhǔn)確度通常較高、更適合在煙83紅外測(cè)溫紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見(jiàn)的光線。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。紅外測(cè)溫紅外輻射84紅外測(cè)溫的特點(diǎn)：接觸測(cè)溫反應(yīng)速度快靈敏度高準(zhǔn)確度較高范圍廣泛紅外測(cè)溫的特點(diǎn)：85紅外測(cè)溫原理

全輻射測(cè)溫是測(cè)量物體所輻射出來(lái)的全波段輻射能量來(lái)決定物體的溫度。它是斯蒂芬—玻爾茲曼定律的應(yīng)用，定律表達(dá)式為

W——物體單位面積所發(fā)射的輻射功率，數(shù)值上等于物體的全波輻射出射度； ——物體表面的法向比輻射率；——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；

T——物體的絕對(duì)溫度(K)。紅外測(cè)溫原理86紅外輻射測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)原理如圖6-19所示紅外輻射測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)原理如圖6-19所示87紅外成像測(cè)溫儀紅外成像原理紅外攝像管：將物體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子系統(tǒng)放大處理，再還原為光學(xué)像的成像裝置。圖6-20是熱釋電攝像管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：紅外成像測(cè)溫儀紅外成像原理88紅外變像管：把物體紅外圖像變成可見(jiàn)圖像的電真空器件，主要由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，均安裝在高度真空的密封玻璃殼內(nèi)。固態(tài)圖像變換器：由許多小單元（稱為像元或像素）組成的受光面，各像素將感受的光像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后順序輸出的一種大規(guī)模集成光電器件。紅外變像管：把物體紅外圖像變成可見(jiàn)圖像的電真空器件，主要由光89紅外成像儀AGA—750熱像儀工作原理框圖紅外成像儀AGA—750熱像儀工作原理框圖90Ti30熱像儀Ti30熱像儀916.7新型溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)

6.7.1石英晶體溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)6.7.2光纖測(cè)溫6.7.3一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20及其應(yīng)用6.7新型溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)6.7.1石英晶體溫92石英晶體溫度傳感器及測(cè)溫技術(shù)工作原理

利用石英晶體固有頻率隨溫度而變化的特性來(lái)測(cè)溫的儀器，稱為石英溫度計(jì)。石英的固有振動(dòng)頻率可用下式表示：

石英晶體溫度傳感器及測(cè)溫技術(shù)工作原理93

石英振子的頻率還與溫度具有下列近似關(guān)系：f0——在溫度為t0時(shí)的頻率; ft——在溫度為t時(shí)的頻率； t0——基準(zhǔn)參考溫度; α，β，γ——一次、二次、三次冪的溫度系數(shù)。石英振子的頻率還與溫度具有下列近似關(guān)系94石英晶體傳感器結(jié)構(gòu)石英溫度計(jì)通常采用石英振蕩器，構(gòu)成一個(gè)決定頻率的諧振回路，而石英振子部分，通常采用易接受溫度變化的結(jié)構(gòu)。石英傳感器的結(jié)構(gòu)通常采用如圖6-22所示。圖6-22石英溫度傳感器石英晶體傳感器結(jié)構(gòu)圖6-22石英溫度傳感器95石英溫度計(jì)主要性能高分辨率；高精確度；高穩(wěn)定度；熱滯后誤差?。贿h(yuǎn)距離石英溫度計(jì)主要性能96溫度計(jì)的標(biāo)定溫度計(jì)的測(cè)溫范圍為—80~0℃；測(cè)溫的不確定度為15mK；分辨率為2~0.2mK，標(biāo)定時(shí)選用水三相點(diǎn)溫度作為基準(zhǔn)參比溫度t0，以一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)，在恒溫槽中與石英溫度計(jì)作比較檢定。最后用最小二乘法擬合頻率溫度關(guān)系式，求出α、β、γ三個(gè)溫度系數(shù)。標(biāo)定后的石英溫度計(jì)就可投入使用。溫度計(jì)的標(biāo)定97光纖測(cè)溫概述光導(dǎo)纖維是一種利用光完全內(nèi)反射原理而傳輸光的器件。一般光導(dǎo)纖維是用石英玻璃制成，通常有三層組成：最里面直徑僅有幾十微米的細(xì)芯稱芯子，其折射率為n1；外面有一層外徑為100～200微米的包層，其折射率為n2，通常n2略小于n1；芯子和包層一起叫做心線；心線外面為保護(hù)層，其折射率為n3，光纖測(cè)溫概述98與溫度測(cè)量有關(guān)的光導(dǎo)纖維的特征參數(shù)主要是數(shù)值孔徑NA，其表達(dá)式為

NA大，表示可以在較大入射角范圍內(nèi)輸入并獲得全反射光；它與心線直徑無(wú)關(guān)，僅與它們材料的折射率有關(guān)。一般光學(xué)玻璃組成的光纖，其NA約為0.4左右；而石英玻璃組成的光纖，其NA約為0.25左右。與溫度測(cè)量有關(guān)的光導(dǎo)纖維的特征參數(shù)主要是數(shù)值孔徑NA，其表達(dá)99光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)而構(gòu)成的新型測(cè)溫傳感器，它有接觸式和非接觸式等多種型式。光纖傳感器由光源激勵(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)和各種連接件等部分構(gòu)成。光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是采用光纖作為敏感元件或能量傳輸100功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳感器是由光纖本身感受被測(cè)目標(biāo)物體的溫度變化，并引起傳輸光的相應(yīng)變化，然后據(jù)此確定被測(cè)目標(biāo)物體的溫度高低與發(fā)生變化的位置。分類：黑體輻射型喇曼效應(yīng)型功能