HG第三章檢測(cè)儀表與傳感器(溫度檢測(cè))

1、1第五節(jié)第五節(jié) 溫度檢測(cè)及儀表溫度檢測(cè)及儀表 溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。溫標(biāo)有：華氏溫標(biāo)、數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。溫標(biāo)有：華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。概念：概念：溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動(dòng)平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動(dòng)愈激烈其分子運(yùn)動(dòng)愈激烈其溫度表現(xiàn)越高溫度表現(xiàn)越高。自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過(guò)程

2、都與溫度緊密相關(guān)，自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過(guò)程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)重要物理量。遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)重要物理量。2溫標(biāo)溫標(biāo)（1 1）攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)：以水的冰點(diǎn)為：以水的冰點(diǎn)為“0”0”，水的沸點(diǎn)為，水的沸點(diǎn)為“100”100”，中間等分為，中間等分為100100份，每份為份，每份為1 1度，以度，以O(shè) OC C表示。表示。（2 2）華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)：冰水融體為：冰水融體為“32”32”，水的沸點(diǎn)為，水的沸點(diǎn)為“212”212”，中間等分為中間等分為180180份，每份為份

3、，每份為1 1度，以度，以O(shè) OF F表示。表示。55(3 2 )94oooCFR（3 3）熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo) -又稱開(kāi)爾文溫標(biāo)，單位為開(kāi)爾文（又稱開(kāi)爾文溫標(biāo)，單位為開(kāi)爾文（K K）。）。（4 4）國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) -是一種符合熱力學(xué)溫標(biāo)又使用簡(jiǎn)單的溫標(biāo)。是一種符合熱力學(xué)溫標(biāo)又使用簡(jiǎn)單的溫標(biāo)。 最新溫標(biāo)最新溫標(biāo)是是19901990年國(guó)際溫標(biāo)年國(guó)際溫標(biāo) ( (ITSITS9090) )3測(cè)溫方式可分為測(cè)溫方式可分為接觸式接觸式和和非接觸式非接觸式兩大類。兩大類。接觸式：接觸式：溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象接觸，經(jīng)過(guò)換熱后兩者溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象接觸，經(jīng)過(guò)換熱后兩者溫度相等。溫度相等。比較比

4、較簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單、可靠可靠，測(cè)量精度較高測(cè)量精度較高；但因充分的；但因充分的熱交熱交換換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的的延遲現(xiàn)象延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。的溫度測(cè)量。非接觸測(cè)溫：非接觸測(cè)溫：溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過(guò)溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過(guò)輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來(lái)推算被測(cè)物體的輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來(lái)推算被測(cè)物體的溫度。溫度。 (1) (1) 輻射式溫度計(jì)輻射式溫度計(jì) ， (2) (2) 光纖式溫度計(jì)。不與被測(cè)物光纖式

5、溫度計(jì)。不與被測(cè)物體接觸，不破壞原有的溫度場(chǎng)。精度一般不高體接觸，不破壞原有的溫度場(chǎng)。精度一般不高。一、一、溫度測(cè)量的主要方法溫度測(cè)量的主要方法溫度的測(cè)量：以熱平衡為基礎(chǔ)的溫度的測(cè)量：以熱平衡為基礎(chǔ)的。溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當(dāng)兩溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當(dāng)兩個(gè)冷熱程度不同的物體接觸后就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱換熱，換熱結(jié)束個(gè)冷熱程度不同的物體接觸后就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。4常用溫度計(jì)的種類及適用溫度CCCCCCCCCCCCCCC2000200:35000:1700900:3200700:2000400:15050:600200

6、:60050:100050:16000:2500:60020:60030:60080:60050:熱電式光電式紅外線比色光輻射熱輻射輻射式非接觸式、銅熱電阻：鉑考銅鎳鉻鎳硅鎳鉻鉑鉑銠熱電偶蒸汽氣體液體壓力式雙金屬玻璃液體膨脹式接觸式溫度計(jì)51、膨脹式溫度計(jì)t = t0t t0l玻璃液體玻璃液體溫度計(jì)利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細(xì)管延伸而直接顯示溫度。l雙金屬雙金屬溫度計(jì)不同金屬受熱膨脹不同，雙金屬片在受熱情況下發(fā)生彎曲而顯示溫度。62、壓力式溫度計(jì)l利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進(jìn)行測(cè)量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細(xì)管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）。7二、二、 熱電偶測(cè)溫?zé)犭?/p>

7、偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度自動(dòng)測(cè)量。遠(yuǎn)距離溫度自動(dòng)測(cè)量。它的測(cè)溫范圍為：它的測(cè)溫范圍為：v- -270270+1800+1800。是廣泛應(yīng)用的溫度檢測(cè)是廣泛應(yīng)用的溫度檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng). .常用來(lái)測(cè)量中高溫。常用來(lái)測(cè)量中高溫。-81、工作原理與熱電效應(yīng)、工作原理與熱電效應(yīng)將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端相接組成閉合回路，當(dāng)兩接端相接組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)分別置于兩種不同的溫度時(shí)，點(diǎn)分別置于兩種不同的溫度時(shí)，則在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成則在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成回路電流回路電流. .這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱塞貝克效塞貝克效應(yīng)應(yīng)，即，即熱電效應(yīng)熱電效應(yīng). .

8、 熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢(shì)由熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)和和溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)兩部分組兩部分組成。成。 測(cè)溫時(shí)，將焊接的一端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，稱為測(cè)量端測(cè)溫時(shí)，將焊接的一端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，稱為測(cè)量端（或工作端、熱端）。另一段一般要求恒定在某一溫度，（或工作端、熱端）。另一段一般要求恒定在某一溫度，稱為參考端（或自由端、冷端）。稱為參考端（或自由端、冷端）。0TTA AB B圖圖7 7- -2 2 熱熱電電偶偶回回路路-9熱電勢(shì)的產(chǎn)生熱電勢(shì)的產(chǎn)生擴(kuò)散作用電場(chǎng)作用+-金屬A金屬Bv不同金屬具有不同的電子密度；v兩種金屬接觸面因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散作用而產(chǎn)生電場(chǎng)熱電現(xiàn)象；v電子在擴(kuò)散作用和電場(chǎng)力作

9、用下最終達(dá)到平衡；v電子的擴(kuò)散與溫度相關(guān)，溫度越高，擴(kuò)散作用越強(qiáng)。自由電子密度大自由電子密度小10接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)AtAtABNNektteln)(接觸電勢(shì)：接觸電勢(shì)：溫差電勢(shì)：同一根導(dǎo)體兩端處于不同的溫度，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)（很小可忽略不計(jì)） 。K：波爾茲曼常數(shù)，e：?jiǎn)挝浑姾呻娏縩，N為自由電子密度。-11熱電偶回路的總的熱電勢(shì)熱電偶回路的總的熱電勢(shì) 接觸電勢(shì)的大小與不同導(dǎo)體的電子密度及接點(diǎn)處溫度高接觸電勢(shì)的大小與不同導(dǎo)體的電子密度及接點(diǎn)處溫度高低低 有關(guān)有關(guān). .回路熱電勢(shì)的大小回路熱電勢(shì)的大小僅與僅與材料和端點(diǎn)的溫度材料和端點(diǎn)的溫度有關(guān)，有關(guān)，與與熱電偶的尺寸形狀無(wú)

10、關(guān)熱電偶的尺寸形狀無(wú)關(guān)。 )()()()(),(000tetetetettEABABBAABAB 當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)熱端溫度當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)熱端溫度的單值函數(shù)的單值函數(shù)0TTA AB B圖圖7 7- -2 2 熱熱電電偶偶回回路路-122、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律如下：中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律：如果插入熱電偶回路的第三根導(dǎo)線兩端的溫度相同，將不影響整個(gè)回路總的熱電勢(shì)。),(),(),(00ttEttEttEcABcABAB等值替代定律等值替代定律：在某一溫度范圍內(nèi)如果產(chǎn)生的熱電勢(shì)相同，則兩支熱電偶在此溫度范圍內(nèi)可互相代用。均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律：由

11、同一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路不可能產(chǎn)生熱電勢(shì)。中間溫度定律中間溫度定律：133、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表熱電偶的材質(zhì)要求熱電偶的材質(zhì)要求v單位溫度變化的熱電勢(shì)大，且盡量接近線性關(guān)系；v熱電性質(zhì)穩(wěn)定；v化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕；v具有較好的延展性，易于加工；v復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)和互換。幾種型號(hào)（分度號(hào)）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶正極負(fù)極長(zhǎng)期工作：1300 oCS：鉑銠10-鉑，-501768oC;K：鎳鉻-鎳硅，-2701372oC;長(zhǎng)期工作：900 oC14熱電偶的熱電特性使冷端保持使冷端保持0 0時(shí)，得到熱電偶的時(shí)，得到熱電偶的 熱電特性熱電特性-15溫度的計(jì)算當(dāng)已知

12、冷端溫度當(dāng)已知冷端溫度不等于不等于0 0攝氏度時(shí)攝氏度時(shí)，如何計(jì)算，如何計(jì)算所測(cè)的溫度值所測(cè)的溫度值? ?)0,(),()0,(00tEttEtE回路的熱電勢(shì)差表可得熱電偶的分度表見(jiàn)附錄一：第95頁(yè)164、補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線問(wèn)題引出：?jiǎn)栴}引出：熱電偶一般由貴金屬制成，熱電偶一般由貴金屬制成，熱電極長(zhǎng)度有熱電極長(zhǎng)度有限；限；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)距控制室較遠(yuǎn)；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)距控制室較遠(yuǎn)；熱電偶冷端熱電偶冷端暴露于空間，易受周圍環(huán)境溫度影響。暴露于空間，易受周圍環(huán)境溫度影響。解決方法：解決方法：把熱電偶的冷端延伸到遠(yuǎn)離被把熱電偶的冷端延伸到遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象且溫度比較穩(wěn)定的地方。測(cè)對(duì)象且溫度比較穩(wěn)定的地方。選用一種具有和所連

13、接的熱電選用一種具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，其材料又偶相同的熱電性能，其材料又是廉價(jià)金屬導(dǎo)線。是廉價(jià)金屬導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線功功 能：能：v其一其一延長(zhǎng)了熱電偶的冷端延長(zhǎng)了熱電偶的冷端；v其二是降低了成本。其二是降低了成本。造成浪費(fèi)造成浪費(fèi)17帶有補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電偶測(cè)溫原理。顯示儀表AB補(bǔ)償導(dǎo)線ABt1t218使用補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)注意的問(wèn)題：使用補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)注意的問(wèn)題：不同的熱電偶配不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線有正（絕緣層為紅色）、負(fù)極，分別接熱電偶的正、負(fù)極；補(bǔ)償導(dǎo)線兩個(gè)接點(diǎn)的溫度應(yīng)相同補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸了熱電偶的冷端，當(dāng)冷端溫度不等于0時(shí)需要對(duì)冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。195、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 熱電偶

14、的熱電動(dòng)勢(shì)大小與熱電極材料和兩節(jié)點(diǎn)的溫度熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小與熱電極材料和兩節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)有關(guān), ,同時(shí)熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表同時(shí)熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表都是以熱電偶參考端溫度等于零為條件的。但實(shí)際上都是以熱電偶參考端溫度等于零為條件的。但實(shí)際上, ,冷冷端溫度受周圍溫度的影響不可能保持為端溫度受周圍溫度的影響不可能保持為 C C 或某一常數(shù)?；蚰骋怀?shù)。因此要測(cè)出實(shí)際溫度就必須采取修正或補(bǔ)償措施。因此要測(cè)出實(shí)際溫度就必須采取修正或補(bǔ)償措施。常用的補(bǔ)償方法有： 冷端溫度保持 C C法；冷端溫度修正法；校正儀表校正儀表零點(diǎn)法零點(diǎn)法；補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法；補(bǔ)償熱電

15、偶法；補(bǔ)償是相對(duì)的，因此有一定誤差！補(bǔ)償是相對(duì)的，因此有一定誤差！20冷端溫度保持C法；1 1）冷端溫度保持 C C法: :使冷端溫度處于C 。例如：將冷端放在盛有絕緣油的試管中，再置入裝滿冰水混合物冰水混合物的容器中,容器維持在C不變，精度高。用在實(shí)驗(yàn)室和精密用在實(shí)驗(yàn)室和精密測(cè)量，測(cè)量，“冰浴法冰浴法”21冷端溫度修正法冷端溫度修正法；校正儀表零點(diǎn)法校正儀表零點(diǎn)法2 2）修正法）修正法)0,(),()0,(00tEttEtE3 3）校正儀表零點(diǎn)法校正儀表零點(diǎn)法設(shè)：冷端溫度恒為設(shè)：冷端溫度恒為t t0 0（t t0 000）, ,被測(cè)溫度為被測(cè)溫度為t t ！修正公式修正公式如下：如下：被測(cè)溫

16、度 t 的熱電勢(shì)測(cè)量得出的熱電勢(shì) 冷端 t0的熱電勢(shì)將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至t t0 0處，相當(dāng)于在輸入熱電偶處，相當(dāng)于在輸入熱電偶熱電勢(shì)之前就給顯示儀表輸入了電勢(shì)熱電勢(shì)之前就給顯示儀表輸入了電勢(shì)E(t(t0 0 ,0) ,0)。22例：例：用用S S型熱電偶測(cè)溫，熱電偶的冷端溫度型熱電偶測(cè)溫，熱電偶的冷端溫度t t0 0=20=20，測(cè)得，測(cè)得熱電勢(shì)為熱電勢(shì)為7.32 mv7.32 mv，求被測(cè)對(duì)象的實(shí)際溫度，求被測(cè)對(duì)象的實(shí)際溫度t t 。由分度表查得由分度表查得 E (20,0 ) = 0.113 mv E (20,0 ) = 0.113 mv 則則 ： E (t,

17、 0) = E (t, tE (t, 0) = E (t, t0 0)+E (t)+E (t0 0, 0) , 0) = 7.32 + 0.113 = 7.32 + 0.113 = 7.434 mv = 7.434 mv 再查分度表得其對(duì)應(yīng)的被測(cè)溫度再查分度表得其對(duì)應(yīng)的被測(cè)溫度t = 808t = 808解：解：23補(bǔ)償電橋法；補(bǔ)償電橋法；4 4）、補(bǔ)償電橋法）、補(bǔ)償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱：利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值。電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值。v銅電阻v蜢銅電阻v電橋平衡時(shí)的溫度v顯示儀表的起始點(diǎn) （機(jī)械零點(diǎn)）

18、在在2020平衡，須把顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)預(yù)先調(diào)整到平衡，須把顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)預(yù)先調(diào)整到2020。24補(bǔ)償熱電偶法；補(bǔ)償熱電偶法；256 6、熱電偶的結(jié)構(gòu)、熱電偶的結(jié)構(gòu)p普通型普通型 通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和 接線盒接線盒等主要部分組成等主要部分組成.p2. 鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶 它是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接它是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體.p3. 薄膜熱電偶薄膜熱電偶.p4. 表面熱電偶表面熱電偶.26普通型普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)-27鎧裝鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶

19、的結(jié)構(gòu)-28四、熱電阻測(cè)溫四、熱電阻測(cè)溫1、金屬熱電阻、金屬熱電阻 (熱電阻熱電阻)2、半導(dǎo)體熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻 (熱敏電阻熱敏電阻)電阻的熱效應(yīng)電阻的熱效應(yīng):利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行測(cè)量。 T R熱電阻材料要求：材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)熱容量要小，在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜?？杉庸ば?，且價(jià)格便宜。291、金屬熱電阻、金屬熱電阻 (熱電阻熱電阻)銅電阻：銅電阻

20、：測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：5050150 150 C C ； R Rt t=R=R0 0(1+(1+ t t) )；近似線性；近似線性；溫度t時(shí)的電阻值 鉑電阻鉑電阻測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：200200850 850 C C ；R Rt t=R=R0 0(1+(1+AtAtBtBt2 2 CtCt3 3) )； 當(dāng)當(dāng)0 0650650 C C 分度號(hào)：分度號(hào)： Pt10, Pt100Pt10, Pt100溫度升高，阻值增加。溫度升高，阻值增加。結(jié)構(gòu)形式和熱電阻的接線方式。與熱電偶的比較。結(jié)構(gòu)形式和熱電阻的接線方式。與熱電偶的比較。溫度0時(shí)的電阻值 分度號(hào)：分度號(hào)： Cu50, Cu50, Cu100Cu10030工業(yè)熱電阻工業(yè)熱電阻 的的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)31工業(yè)熱電阻工業(yè)熱電阻 的的引線形式引線形式322、半導(dǎo)體熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻 (熱敏電阻熱敏電阻)負(fù)負(fù)電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC型）型）指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)33熱敏電阻熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式34五、輻射