溫度檢測(cè)—接觸式測(cè)溫

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有: :1 1、了解溫度測(cè)量的基本概念和方法；、了解溫度測(cè)量的基本概念和方法；2 2、了解熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的工作原理，以及、了解熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的工作原理，以及它們的分類及特點(diǎn)；它們的分類及特點(diǎn)；3 3、了解一些新型非接觸測(cè)溫傳感器的原理、了解一些新型非接觸測(cè)溫傳感器的原理第四章第四章 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)第一節(jié)第一節(jié) 測(cè)溫方法及溫標(biāo)測(cè)溫方法及溫標(biāo) 一、溫度測(cè)量的基本概念一、溫度測(cè)量的基本概念 溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的部大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度越高，表劇烈程度。溫度越高，表

2、示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。劇烈。 模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，氣體分模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！低溫低溫高溫高溫二、溫標(biāo)二、溫標(biāo) 溫標(biāo)溫標(biāo) 衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度。衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度。 溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度的單位。各類溫度計(jì)讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度的單位。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。的刻度均由溫標(biāo)確定。 幾種溫標(biāo)的對(duì)比幾種溫標(biāo)的對(duì)比 正常體溫為正常體溫為37 C C ，相，相當(dāng)于華氏溫當(dāng)于華氏溫度多少

3、度？度多少度？熱力學(xué)溫標(biāo)（熱力學(xué)溫標(biāo)（K K） 熱力學(xué)溫標(biāo)是建立熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（由開爾文（Kelvin）根據(jù)）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號(hào)是的符號(hào)是T，單位是開爾，單位是開爾文（文（K） 。威廉威廉湯姆遜湯姆遜開爾文勛爵像開爾文勛爵像三、溫度測(cè)量及傳感器分類三、溫度測(cè)量及傳感器分類 溫度傳感器按照測(cè)量方法可分為接觸式和溫度傳感器按照測(cè)量方法可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、

4、輻射式等等；按輸出方式分，有式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測(cè)型等。自發(fā)電型、非電測(cè)型等。 幾種溫度測(cè)量方法幾種溫度測(cè)量方法 示溫涂料（變色涂料）示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案裝滿熱水后圖案變得清晰可辨變得清晰可辨變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇散熱風(fēng)扇低溫時(shí)顯示藍(lán)色低溫時(shí)顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色溫度升高后變?yōu)榧t色紅外溫度計(jì)紅外溫度計(jì)第二節(jié)第二節(jié) 接觸式測(cè)溫接觸式測(cè)溫 接觸式傳感器接觸式傳感器熱電阻熱電阻: :溫度變化溫度變化電阻變化電阻變化金屬材料金屬材料: :熱電阻熱電阻半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料: :熱敏電阻熱敏電阻

5、中溫中溫低溫低溫?zé)犭娕紵犭娕? :溫度變化溫度變化熱電動(dòng)勢(shì)變化熱電動(dòng)勢(shì)變化常用于高溫領(lǐng)域常用于高溫領(lǐng)域1 1 主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn) 1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需、它屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表；外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表； 2、測(cè)溫范圍廣：下限可達(dá)、測(cè)溫范圍廣：下限可達(dá)-270 C C ，上限可達(dá)，上限可達(dá)18001800 C C以上；是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣泛的熱以上；是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣泛的熱電式傳感器。電式傳感器。 3 3、各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)、各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。的標(biāo)準(zhǔn)。一、熱電偶測(cè)溫（接觸

6、式、熱電式）一、熱電偶測(cè)溫（接觸式、熱電式）熱電偶工作原理演示熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)! 熱電極熱電極A A2 2 工作原理工作原理 熱電極熱電極B B熱電勢(shì)熱電勢(shì)AB從實(shí)驗(yàn)到理論：從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（偏轉(zhuǎn)（說明什么？說明什么？），如果用兩盞酒精

7、燈對(duì)兩個(gè)），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ńY(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f又說明什么？明什么？） 。 顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。點(diǎn)的溫差有關(guān)。 結(jié)論結(jié)論- 若熱電偶兩電極材料相同若熱電偶兩電極材料相同, ,那么即使兩端溫度不那么即使兩端溫度不 同，閉合回路的總熱電勢(shì)仍為零。同，閉合回路的總熱電勢(shì)仍為零。 若熱電偶兩電極材料不同若熱電偶兩電極材料不同, ,而兩端溫度相同而兩端溫度相同, ,閉合閉合 回路中也不會(huì)

8、產(chǎn)生總熱電勢(shì)?；芈分幸膊粫?huì)產(chǎn)生總熱電勢(shì)。 所以所以, ,熱電偶的工作條件是熱電偶的工作條件是: :電極由不同材料組成電極由不同材料組成, , 且兩接觸端溫度不一樣。且兩接觸端溫度不一樣。 4 4 熱電勢(shì)的大小僅與熱電勢(shì)的大小僅與熱電極材料熱電極材料和和兩端溫度兩端溫度有關(guān)。有關(guān)。普通裝配型普通裝配型熱電偶的外形熱電偶的外形安裝安裝螺紋螺紋安裝安裝法蘭法蘭工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖 1接線盒；接線盒； 2保險(xiǎn)套管保險(xiǎn)套管 3絕緣套管絕緣套管 4熱電偶絲熱電偶絲1234熱電偶的分度表熱電偶的分度表 熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法。熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法。 直接

9、從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)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）溫度必須為的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0 0 C C。 K K熱電偶的熱電偶的分度表分度表 比較查出的比較查出的3 3個(gè)個(gè)熱電勢(shì)，可以看熱電勢(shì)，可以看出熱電勢(shì)是否線出熱電勢(shì)是否線性？性？3 3 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)熱電偶的種類及結(jié)構(gòu) 八種八種國(guó)際通用熱電偶：國(guó)際通用熱電偶： B:B:鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6 R: R:鉑銠鉑銠1313鉑鉑 S:S:鉑銠鉑銠1010鉑鉑 K:K:鎳鉻鎳鉻鎳硅鎳硅 N:N:鎳鉻硅鎳鉻硅鎳硅鎳硅 E:E:鎳鉻鎳鉻銅鎳銅鎳 J:J:鐵鐵銅鎳銅鎳 T

10、:T:銅銅銅鎳銅鎳 用于制造用于制造鉑鉑熱電偶熱電偶的各種的各種鉑鉑熱電偶絲熱電偶絲幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì) 分度號(hào)分度號(hào) 名稱名稱 測(cè)量溫度范圍測(cè)量溫度范圍 1000 C熱電勢(shì)熱電勢(shì)/ mVB鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6501820 C C4.8344.834R鉑銠鉑銠1313鉑鉑-501768 C C10.50610.506S鉑銠鉑銠1010鉑鉑-501768 C C9.5879.587K鎳鉻鎳鉻鎳鉻鎳鉻 (鋁鋁) -2701370 C C41.27641.276E鎳鉻銅鎳鎳鉻銅鎳 (康康 銅銅)270800 C C?幾種常用熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的

11、關(guān)系曲線分析幾種常用熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系曲線分析 哪幾種熱電偶哪幾種熱電偶的測(cè)溫上限較高？的測(cè)溫上限較高？ 結(jié)論：結(jié)論： 哪幾種熱電偶的哪幾種熱電偶的線性較差？線性較差？ 哪一種熱電偶哪一種熱電偶的靈敏度較高？的靈敏度較高？ 哪一種熱電偶哪一種熱電偶的靈敏度較低？的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點(diǎn)（零度點(diǎn)）？為什么所有的曲線均過原點(diǎn)（零度點(diǎn)）？4 4 熱電偶基本定律熱電偶基本定律1、均質(zhì)導(dǎo)體定則、均質(zhì)導(dǎo)體定則 均質(zhì)導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路均質(zhì)導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路, ,不可能產(chǎn)生熱電效應(yīng)，構(gòu)不成不可能產(chǎn)生熱電效應(yīng)，構(gòu)不成 熱電偶。熱電偶。 熱電偶的電極均勻性越好，則其質(zhì)量越好。熱電偶的電極均勻

12、性越好，則其質(zhì)量越好。2、中間導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律 導(dǎo)體導(dǎo)體A、B組成的熱電偶中插入第三種導(dǎo)體組成的熱電偶中插入第三種導(dǎo)體C，只要導(dǎo)體，只要導(dǎo)體C兩端溫度相同，則對(duì)熱點(diǎn)偶總熱電勢(shì)無影響。兩端溫度相同，則對(duì)熱點(diǎn)偶總熱電勢(shì)無影響。MABCT0T123MCABBT0T1T1234 意義：意義： 可用測(cè)量?jī)x表可用測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量熱電勢(shì)直接測(cè)量熱電勢(shì)意義：為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)意義：為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)3、中間溫度定律、中間溫度定律A AB BA AB BT TT To oT Tn nT Tn n 熱電偶熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為在接點(diǎn)溫度為T和和To的熱電勢(shì)的熱電勢(shì)EAB(T,To)應(yīng)當(dāng)應(yīng)當(dāng)?shù)?/p>

13、于它在接點(diǎn)溫度等于它在接點(diǎn)溫度T、Tn和和Tn 、To的熱電勢(shì)的代數(shù)和的熱電勢(shì)的代數(shù)和,即即 E EABAB(T,To)= E(T,To)= EABAB(T,Tn)+ E(T,Tn)+ EABAB(Tn,To) (Tn,To) 5 5 熱電偶的冷端處理熱電偶的冷端處理 必要性：必要性： 1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時(shí)，必須滿溫度時(shí)，必須滿足足t0=0 C的條件。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(huán)境的條件。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣溫度而變化，這樣t0不但不是不但不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定， 因此將產(chǎn)生誤差。因此將產(chǎn)生誤差。 2、 一般情

14、況下，冷端溫度均高于一般情況下，冷端溫度均高于0 C，熱電勢(shì)，熱電勢(shì)總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失 。 采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)采用相對(duì)廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長(zhǎng)熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。 型號(hào)型號(hào)配用熱電偶配用熱電偶正正- -負(fù)負(fù)導(dǎo)線外皮顏色導(dǎo)線外皮顏色 正正- -負(fù)負(fù)SCSC鉑銠鉑銠1010- -鉑鉑紅紅- -綠綠KCKC鎳鉻鎳鉻 - - 鎳硅鎳硅紅紅- -藍(lán)藍(lán)WCWC5/265/26鎢錸鎢錸5 5- -鎢錸鎢錸2626 紅紅

15、- -橙橙 補(bǔ)償導(dǎo)線在補(bǔ)償導(dǎo)線在0 0100100 C范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量精度。熱電勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量精度。A A 補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線外形補(bǔ)償導(dǎo)線外形 AABB屏蔽層屏蔽層保護(hù)層保護(hù)層B B 冷端溫度測(cè)量計(jì)算法冷端溫度測(cè)量計(jì)算法計(jì)算修正計(jì)算修正 當(dāng)熱電偶的冷端溫度當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0 0 C時(shí)，由于熱端與冷端時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，t0）與冷端為）與冷端為0 C時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，0 C）不等?？梢岳?/p>

16、用下式計(jì)算并修正測(cè)量誤差：不等。可以利用下式計(jì)算并修正測(cè)量誤差： EAB（t，0 C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0 C）C C 冷端恒溫法冷端恒溫法 將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在容器中，使冷端的溫度保持在0 0 C C不變。此法也稱冰不變。此法也稱冰浴法，它消除了浴法，它消除了t t0 0不等于不等于0 0 C C而引入的誤差，由于冰而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實(shí)驗(yàn)室中。融化較快，所以一般只適用于實(shí)驗(yàn)室中。 工業(yè)應(yīng)用中，一般把冷端放在電加熱的恒溫工業(yè)應(yīng)用中，一般把冷端放在電加熱的恒溫器中，使其

17、維持在某一恒定的溫度。器中，使其維持在某一恒定的溫度。冰浴法冰浴法 在冰瓶中，冰水混合物的溫度能在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0 0 C C不變。不變。 XT-WBC熱電偶熱電偶 冷端補(bǔ)償器冷端補(bǔ)償器 電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，可購(gòu)買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。化值，可購(gòu)買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。 D D 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法二、熱電阻測(cè)溫（接觸式、電阻式）二、熱電阻測(cè)溫（接觸式、電阻式） 溫度

18、升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。 取一只取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測(cè)量其電阻值，可燈泡，用萬用表測(cè)量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為值應(yīng)為484 。 熱電阻材料特點(diǎn)熱電阻材料特點(diǎn)（1）高溫度系數(shù)、高電阻率）高溫度系數(shù)、高電阻率（2）較寬測(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)）較寬測(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)（3）良好的輸出特性）良好的輸出特性（4）良好工藝性）良好工藝性 材材料料 溫溫度度系系數(shù)數(shù) （1 1/ /） 比比電電阻阻 （ .mm2/m） 溫溫度度范范圍圍 （） 特特 性性 鉑鉑 3.9210-3 0.0981 -200 +650 近近線線性性 銅銅