溫度測量元件原理

1、*有限公司溫度測量元件原理及應(yīng)用2016年2月2016年*部自控專業(yè)培訓(xùn)*有限公司22022-3-27 溫度測量元件原理及應(yīng)用 第一章：溫度測量的基本知識 第二章：各種測溫方法簡介 第三章：膨脹式溫度計 第四章：熱電偶溫度計 第五章：熱電阻溫度計 第六章：非接觸式溫度測量儀表*有限公司32022-3-27第一章：溫度測量的基本知識 一、溫度與溫標(biāo)：p 1.溫度是表示物體冷熱程度的物理量，是物體分子運動平均動能大小的標(biāo)志，它反映了物體內(nèi)部分子熱運動的劇烈程度。溫度的高低是工業(yè)生產(chǎn)過程運行狀態(tài)的重要標(biāo)志，故溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍、最重要的測量參數(shù)之一。p 2.溫標(biāo)是衡量物體溫度高低的標(biāo)尺，它規(guī)定了

2、用數(shù)值表示溫度的一套規(guī)則，確定了溫度的單位。 國際實用溫標(biāo)是用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的，自1927年建立以來，經(jīng)過多次修改，最近一次修改版是國際計量委員會根據(jù)1987年第18界國際計量大會第7號決議的要求，于1989年會議通過的1990國際實用溫標(biāo)（ITS90）。90國際實用溫標(biāo)自1990年1月1日起使用。 溫度測量元件原理及應(yīng)用*有限公司42022-3-27 二、90國際實用溫標(biāo)內(nèi)容：p 1. 基本的物理量為熱力學(xué)溫度，符號為T，其單位為開爾文，符號為K。它規(guī)定水的三相點熱力學(xué)溫度為273.16K，1開爾文等于水三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16。沿襲習(xí)慣，溫度也可以用攝氏溫度表示，其符號為t，單

3、位為攝氏度。它定義為：t=T-273.15。p 2. ITS90所包含的溫度范圍自0.65K至單色輻射溫度計可測量的最高溫度。定義了17個固定點和溫度點，包括14種純物質(zhì)的三相點、熔點和凝固點以及3個用蒸氣溫度計或氣體溫度計測定的溫度點。p 3. ITS90將溫區(qū)劃分為4段，規(guī)定了每段溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的基準(zhǔn)儀器。0.65K5.0K之間的基準(zhǔn)儀器為：3He或4He蒸氣壓溫度計；3.0K24.5561K之間的基準(zhǔn)儀器為：3He或4He定容氣體溫度計；13.8033K961.78之間的基準(zhǔn)儀器為：鉑電阻溫度計；961.78以上溫區(qū)的基準(zhǔn)儀器為：光學(xué)或光電高溫計。p 4. 規(guī)定了基準(zhǔn)儀器的示值

4、與國際溫標(biāo)溫度之間的插補(bǔ)公式。第一章：溫度測量的基本知識 溫度測量元件原理及應(yīng)用*有限公司52022-3-27 測溫方法是基于物體的某些物理化學(xué)性質(zhì)與溫度有一定的關(guān)系而產(chǎn)生的。如：物體的幾何尺寸、顏色、電導(dǎo)率、熱電勢和輻射強(qiáng)度等。當(dāng)溫度不同時，以上這些參數(shù)中的一個或幾個隨之變化，測出這些參數(shù)的變化，就可間接地知道被測物體的溫度。 溫度測量方法大體可分為：接觸測量和非接觸測量。 接觸測量：感溫元件與被測對象直接接觸，輸出與溫度變化相適應(yīng)的信號。 優(yōu)點：測量準(zhǔn)確性高。 缺點：換熱過程需要一定的時間，動態(tài)特性差； 破壞對象的溫度場，影響測溫的準(zhǔn)確性； 測溫上限受敏感部件耐熱性的影響； 測溫元件易受環(huán)

5、境影響和腐蝕。第二章：各種測溫方法簡介 溫度測量元件原理及應(yīng)用*有限公司62022-3-27 根據(jù)測溫原理不同，接觸測溫元件可分為以下幾種：膨脹式溫度計：液體膨脹式溫度計（如水銀溫度計）；固體膨脹式溫度計（如雙金屬溫度計，桿式溫度計）。*壓力式溫度計：液體壓力式溫度計，蒸氣壓力式溫度計，氣體壓力式溫度計。（定容體積變化產(chǎn)生壓力變化）熱電阻溫度計。熱電偶溫度計。 溫度測量元件原理及應(yīng)用第二章：各種測溫方法簡介*有限公司72022-3-27 非接觸測溫：感溫元件不與被測對象接觸。 優(yōu)點：不需要換熱過程，動態(tài)特性好，可測移動物體的溫度； 不破壞對象的溫度場； 理論上測溫上限不受限制； 不受環(huán)境的影響

6、和腐蝕。 缺點：由于受中間介質(zhì)的影響，測量準(zhǔn)確性一般較差。 非接觸測溫元件可分為：光學(xué)溫度計、輻射溫度計、比色溫度計。 溫度測量元件原理及應(yīng)用第二章：各種測溫方法簡介*有限公司82022-3-27 膨脹式溫度計是利用 物體受熱膨脹 的原理制成的溫度計。 主要有液體膨脹式溫度計、固體膨脹式溫度計和壓力式溫度計三種。 一、液體膨脹式溫度計 常見的是玻璃管式溫度計，如下圖所示。它主要由液體儲存器、毛細(xì)管和標(biāo)尺組成。根據(jù)所充填的液體介質(zhì)不同，能夠測量200750范圍的溫度。 溫度測量元件原理及應(yīng)用工作液體測量范圍（）備注水銀-30-750或更高上限用加壓方法獲得甲苯-90100乙醇-10075石油醚-

7、13025戊烷-20020第三章：膨脹式溫度計*有限公司92022-3-27 二、固體膨脹式溫度計 它是利用兩種線膨脹系數(shù)不同的材料制成，由桿式和雙金屬片式兩種。除用金屬材料外，有時為了增大膨脹系數(shù)差，還選用非金屬材料，如石英、陶瓷等。這類溫度計常用作自動控制裝置中的溫度測量元件，它結(jié)構(gòu)簡單、可靠，但精度不高。 溫度測量元件原理及應(yīng)用 雙金屬溫度計是利用兩種不同金屬在溫度改變時膨脹程度不同的原理工作的。工業(yè)用雙金屬溫度計的主要元件是一個用兩種或多種金屬片疊壓在一起組成的多層金屬片，為提高測溫靈敏度，通常將金屬片制成螺旋卷形狀。當(dāng)多層金屬片的溫度改變時，各層金屬膨脹或收縮量不等，使得螺旋卷卷起或

8、伸展。由于螺旋卷的一端固定，而另一端和一可以自由轉(zhuǎn)動的指針相連，因此，當(dāng)雙金屬片感受到溫度變化時，指針即可在一圓形分度標(biāo)尺上指示出溫度來。第三章：膨脹式溫度計*有限公司102022-3-27 一、熱電偶測溫原理： 熱電偶溫度計由熱電偶、電測儀表和連接導(dǎo)線組成。它被廣泛用于測量-2001300范圍內(nèi)的溫度。熱電偶把溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺阌谛盘柕倪h(yuǎn)傳，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、準(zhǔn)確度高、熱慣性小等優(yōu)點。 熱電效應(yīng)：由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A或B組成的閉合回路，如果使兩個接點處于不同的溫度t0、t，則回路中就有電動勢出現(xiàn)，稱為熱電勢（由溫差電勢、接觸電勢組成）。 溫差電勢：同一均質(zhì)導(dǎo)體兩端溫度不同時

9、，高溫端（測量端、工作端、熱端）電子的運動速度大于低溫端電子，高溫端失電子帶正電，低溫端得電子帶負(fù)電，于是高、低溫端之間形成靜電場。該電場減緩了高、低溫端之間電子的移動，當(dāng)運動達(dá)到動態(tài)平衡時，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了相應(yīng)的電位差，該電位差稱為溫差電勢。*溫差電勢的大?。篕為波爾茲曼常數(shù)；e為電子電量 為導(dǎo)體內(nèi)的電子密度，是溫度的函數(shù)；t、to是導(dǎo)體兩端的溫度。 溫度測量元件原理及應(yīng)用dtdttNdNekttetttt)(1,00第四章：熱電偶溫度計tN*有限公司112022-3-27 接觸電勢：是在兩種不同材料A和B的接觸點產(chǎn)生的。A、B材料有不同的電子密度，設(shè)導(dǎo)體A的電子密度nA大于導(dǎo)體B的電子密度

10、nB，則從A擴(kuò)散到B的電子數(shù)要比從B擴(kuò)散到A的多，A因失電子而帶正電荷，B因得電子而帶負(fù)電荷，于是在A、B的接觸面上便形成一從A到B的靜電場。這個靜電場將阻礙電子的擴(kuò)散運動，阻止電子的漂移運動，當(dāng)擴(kuò)散與漂移達(dá)到動態(tài)平衡時，在A、B接觸面上便形成了電位差，即接觸電勢。 *接觸電勢的大?。?或 式中：k為波爾茲曼常數(shù)，e為電子電量 溫度測量元件原理及應(yīng)用 BtAtABnnektteln 00ln00BtAtABnnektte 可見接觸電勢與兩導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)與接觸點的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體長度、截面大小、沿導(dǎo)體長度方向的溫度分布無關(guān)。*熱電偶回路的總電勢為： 即熱電勢是高溫端溫度及低溫端溫度的函數(shù)，若恒

11、定低溫端溫度，則熱電勢是高溫端溫度的單值函數(shù)。通過測量熱電勢的大小可以得到被測（高溫端）溫度的數(shù)值。 CtftftfttetettetetteABABABBABAABAB00000,第四章：熱電偶溫度計*有限公司122022-3-27 二、熱電偶的構(gòu)造 普通工業(yè)用熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒構(gòu)成，常見熱電偶如圖。 溫度測量元件原理及應(yīng)用第四章：熱電偶溫度計*有限公司132022-3-27 三、熱電偶溫度與電勢對照表(以K分度為例) 溫度測量元件原理及應(yīng)用溫度單位：、電壓單位：mV參考溫度點：0(冰點)第四章：熱電偶溫度計*有限公司142022-3-27 四、 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

12、： 由熱電偶的測溫原理可知，熱電勢是熱端溫度與冷端溫度的函數(shù)，在冷端溫度恒定的條件下，熱電勢是熱端溫度的函數(shù)。而在實際應(yīng)用時，熱電偶的冷端溫度不恒定。要想消除冷端溫度波動對測溫的影響，必須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。常用的冷端溫度補(bǔ)償方法有：計算修正法、冷端恒溫法、顯示儀表機(jī)械零點調(diào)整法、補(bǔ)償電橋（冷端溫度補(bǔ)償器）法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、輔助熱電偶法、PN結(jié)補(bǔ)償法等。 溫度測量元件原理及應(yīng)用第四章：熱電偶溫度計*有限公司152022-3-27 一、熱電阻的測溫原理： 物理學(xué)中我們知道，導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的電阻值是隨著溫度的變化而變化的，一般說來，它們之間有如下關(guān)系，即。 Rt=Rt01+（t-t0） 其中，Rt為

13、溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0）時對應(yīng)電阻值；為溫度系數(shù)。 若能設(shè)法測出電阻值的變化，就可相應(yīng)地確定溫度的變化，達(dá)到測溫的目的。熱電阻溫度計就是利用導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的電阻值隨著溫度變化這一特性來進(jìn)行溫度測量的。即把溫度變化所引起的導(dǎo)體電阻變化，通過測量橋路轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后送入顯示儀表以指示或記錄被測溫度。 熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的測溫基準(zhǔn)儀。 溫度測量元件原理及應(yīng)用第五章：熱電阻溫度計*有限公司162022-3-27 二、熱電阻的材料和要求： 熱電阻測溫的機(jī)理是利用導(dǎo)體或

14、半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的性質(zhì)，但不是所有導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料都可以作為測量元件，還得從其它方面的性能來考慮和選擇，對熱電阻材料的要求主要有以下幾點： 1.物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，測量精度高，抗腐蝕，使用壽命長。 2.電阻溫度系數(shù)要大，即靈敏度要高。 3.電阻率要高，以使熱電阻的體積較小，減小測溫的時間常數(shù)。 4.熱容量要小，使電阻體熱惰性小，反應(yīng)較靈敏。 5.線性好，即電阻與溫度關(guān)系成線性或為平滑曲線。 6.易于加工，價格便宜，降低制造成本。 7.復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)和部件互換。 溫度測量元件原理及應(yīng)用第五章：熱電阻溫度計*有限公司172022-3-27 三、常見熱電阻型號及應(yīng)用： 熱電阻的

15、型號系采用漢語拼音字母來表示，第一字母W表示溫度，第二字母Z表示熱電阻，第三字母則分別表示熱電阻的分度號，鉑電阻為P，銅電阻為C，鎳電阻為N。熱阻的主要技術(shù)特性如表： 溫度測量元件原理及應(yīng)用代號分度號0時電阻值（）0時電阻允許誤差（%）電阻比（R100/R0） 測量范圍（）基本誤差允許值（）WZPPt1010（0850）A級0.006B級0.0121.3850.001-200+850t=(0.15+210-3t)Pt100100 （-200850）A級0.006B級0.012t=(0.3+510-3t)WZCCu50500.051.4280.002-50+150t=(0.3+610-3t)Cu

16、1001000.1WZNNi1001000.11.670.003-600t= (0.2+210-2t)Ni3003000.30+180t=(0.2+110-2t)Ni5005000.5第五章：熱電阻溫度計*有限公司182022-3-27 四、熱電阻接線方式 目前熱電阻的接線方式主要有三種： 二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合 三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可

17、以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的。 四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。 溫度測量元件原理及應(yīng)用第五章：熱電阻溫度計*有限公司192022-3-27 五、熱電阻分度表（以PT100為例）： 溫度測量元件原理及應(yīng)用第五章：熱電阻溫度計*有限公司202022-3-27 非接觸式測溫儀表主要是基于熱輻射機(jī)理的一種溫度傳感器，這類溫度傳感器的最大特點就是溫度傳感器的任何部分都不與被測介質(zhì)接觸，它通過測

18、量物體的輻射能或與輻射能有關(guān)的信號來實現(xiàn)溫度測量。 由于不必與被測介質(zhì)接觸，非接觸式測溫儀表具有以下優(yōu)點：不存在因接觸產(chǎn)生的傳熱而附加引起的測溫傳熱誤差；不破壞被測溫度場，可以測量熱容量較小的物體；理論上測溫上限不受測溫傳感器材料的限制；動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，可測量運動物體的溫度；可以測出二維的溫度分布。 非接觸測溫儀表也存在有一些缺點：測量誤差較大，儀表示值一般只代表表面外觀溫度；在輻射通道上介質(zhì)吸收及反射光的干擾將影響儀表示值；被測溫度表面發(fā)射率變化會影響儀表的測量數(shù)值；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較昂貴。第六章：非接觸式溫度測量儀表 溫度測量元件原理及應(yīng)用*有限公司212022-3-27 一、光學(xué)高溫計光學(xué)高溫計是基于光譜輻射原理的測溫儀表，物體在高溫狀態(tài)下會發(fā)光，在可見光的波長范圍(0.350.75 )內(nèi)，高溫物體的熱輻射以光的形式表現(xiàn)出來，其輻射的強(qiáng)度與光的亮度之間有一定的關(guān)系。光學(xué)高溫計存在不宜測量反射光很強(qiáng)的物體、測量精度比熱電偶和熱電阻低、亮度比較的判斷及調(diào)整均要人工進(jìn)行，不能連續(xù)自動進(jìn)行測量，同時帶來工作人員的主觀誤差等缺陷。 二、光電高溫計 光電高溫計通俗的認(rèn)識是利用光敏傳感器配以電子電路自動進(jìn)行亮度比，是在光學(xué)高溫計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的能自動連續(xù)工作的測溫儀表。 光電高溫計依據(jù)的是光譜輻射亮度的原理,采用光電器件作為儀表的感受件，以替代人眼