信號(hào)與測(cè)試復(fù)習(xí)課件第4章溫度測(cè)量系統(tǒng)

1、第4章溫度測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)與自動(dòng)化工程系楊波b第4章溫度測(cè)量系統(tǒng)本章要求1.溫度測(cè)量概述（溫標(biāo)、測(cè)溫分類）2.膨脹式測(cè)溫3.熱電偶測(cè)溫敏感機(jī)理、誤差及補(bǔ)償4.熱電阻測(cè)溫敏感機(jī)理、測(cè)量電路5.非接觸測(cè)溫方法6.半導(dǎo)體測(cè)溫方法次重點(diǎn)！重點(diǎn)！目錄4.14.24.34.44.54.64.7概 述膨脹式測(cè)溫?zé)犭娛綔囟葴y(cè)量 熱電阻式溫度測(cè)量非接觸測(cè)溫方法半導(dǎo)體測(cè)溫方法工業(yè)測(cè)溫儀表選型第4章作業(yè)4.1概述4.1.1溫度的概念溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它體現(xiàn)了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征。分子溫度是不能直接測(cè)量的。只能通過物體隨溫度變化的某些特性（如體積、長(zhǎng)度、電阻等）來間接測(cè)量。如果兩個(gè)冷熱程度不同的物體相接觸，必

2、然會(huì)發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量將從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞，直到兩個(gè)物體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)物體的溫度相等。2015/3/31 Tuesday44.1.2溫標(biāo)溫標(biāo)是溫度的數(shù)值表示方法，是用來衡量物體溫度的尺度。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(diǎn)(零點(diǎn))和測(cè)量溫度的，常用的溫標(biāo)：1. 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)T t 273.16 T90 273.16t90有可實(shí)現(xiàn)的固定點(diǎn)溫度；有在固定點(diǎn)溫度上分度的標(biāo)準(zhǔn)儀器；確定相鄰固定溫度點(diǎn)間的內(nèi)插公式。2015/3/31 Tuesday5溫標(biāo)要求17個(gè)固定點(diǎn)溫度ITS903.國際實(shí)用溫標(biāo)循環(huán) K2. 熱力學(xué)溫標(biāo)華氏溫標(biāo) F攝氏溫標(biāo) 4.1.3 溫度測(cè)量的主要方法及分類測(cè)溫方法比較特點(diǎn)

3、：不適宜熱容量小的物體溫度測(cè)量；不適宜動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量；便于多點(diǎn)、集中測(cè)量和自動(dòng)控制測(cè)溫范圍：適宜1000以下的溫度測(cè)量精度：測(cè)量范圍的1%左右滯后：較大接觸測(cè)量法基于熱平衡原理，即測(cè)溫敏感元件(傳感器)必須與被測(cè)介質(zhì)接觸，是兩者處于平衡狀態(tài)，具有同一溫度。水銀溫度計(jì)、熱敏電阻、熱電偶、 PN結(jié)非接觸測(cè)量法特點(diǎn)：被測(cè)物體溫度不變；適宜動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量；適宜 表面溫度測(cè)量。測(cè)量范圍：適宜高溫測(cè)量精度：一般在10左右滯后：較小熱輻射原理，測(cè)溫的敏感元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測(cè)定物體溫度，輻射溫度計(jì)、高溫計(jì)、紅外測(cè)溫儀等。2015/3/31 Tuesday64.2膨脹式測(cè)溫膨脹式

4、溫度計(jì)利用氣體、液體或固體熱脹冷縮的特性液體膨脹式溫度計(jì)固體膨脹式溫度計(jì)壓力式溫度計(jì)2015/3/31 Tuesday7液體膨脹式溫度計(jì)固體膨脹式溫度計(jì)HD-WSS系列雙金屬溫度計(jì)測(cè)量中低溫度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表?？梢灾苯訙y(cè)量各種生產(chǎn)過程中的-80+500范圍2015/3/31 Tuesday8固體膨脹式溫度計(jì)雙金屬溫度計(jì)的突出特點(diǎn)是：抗震性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠，讀數(shù)方便，但它的精度不高，測(cè)量范圍也不大。2015/3/31 Tuesday9壓力式溫度計(jì)壓力式溫度計(jì) 威卡(德國 WIKA)氣體狀態(tài)方程PV=mRT。測(cè)量原理充惰性氣體，帶遠(yuǎn)傳毛細(xì)管2015/3/31 Tuesday104.3熱電式溫

5、度測(cè)量熱電偶測(cè)溫4.3.14.3.24.3.34.3.44.3.5熱電效應(yīng)熱電偶的工作原理 熱電偶的基本定律熱電偶的誤差及補(bǔ)償熱電偶的組成分類及特點(diǎn)2015/3/31 Tuesday114.3.1熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)效應(yīng)電勢(shì)電勢(shì)效應(yīng)由A、B兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合路，當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度不等時(shí)，路中就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象通常稱為熱電效應(yīng)。該電勢(shì)通常稱為熱電勢(shì)。2015/3/31 Tuesday12回回4.3.1熱電效應(yīng)nB（ Peltire）效應(yīng)：nA1.eAB(T)當(dāng)具有不同的電子濃度的A、B兩種材料相互緊密地連接在一起時(shí)，電子會(huì)從濃度高的導(dǎo)體向濃度低的導(dǎo)體擴(kuò)散，從而在接觸處形成電

6、位差。電勢(shì)：2.效應(yīng)形成的電位差叫做接觸電勢(shì)（熱電勢(shì)）) 材料A、B在溫度T時(shí)的n電子濃度2015/3/31 Tuesday13k常數(shù), 1.381023 J / Ke 電子電荷量, 1.61019 Ce(T ) kT ln nA (T )ABen (T )BABAB4.3.1熱電效應(yīng)3.（Thomson）效應(yīng)：eA(T,T0)TTT0T0對(duì)于單一均質(zhì)導(dǎo)體A，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，電子由溫度高的一端向溫度低的一端擴(kuò)散，從而在導(dǎo)體上形成電勢(shì)差。4.電勢(shì)(溫差電勢(shì))所形成的電勢(shì)差稱為溫差電勢(shì)，或叫電勢(shì)。導(dǎo)體A的溫差電勢(shì)為： A 材料A的系數(shù)(V/K)2015/3/31 Tuesday14TeA (T

7、 ,T0 ) T AdT04.3.2熱電偶的工作原理1.熱電偶的原理結(jié)構(gòu)：ATT0TT0B2.熱電偶中熱電勢(shì)示意圖：eA(T,T0)A參考端冷端TeAB（T）T0eAB（T0）測(cè)量端工作端熱端2015/3/31 TuesdayBeB（T,T0）154.3.2熱電偶的工作原理3.回路電勢(shì)計(jì)算：總接觸電勢(shì)總溫差電勢(shì)總熱電勢(shì)E(T ,T ) kT ln nA (T ) k)T0()dTAB0ABen (T )en(T )T0BB0A eA(T,T0)TeAB（T）T0eAB（T0）Be （T,T ）B02015/3/31 Tuesday16TeA (T ,T0 ) eB (T ,T0 ) T ( A

8、 B )dT0e(T ) e(T ) kT ln nA (T ) k0 ) ABAB0en (T )en (T )BB04.3.2熱電偶的工作原理4.分析熱電偶的兩種材料相同，則接觸電勢(shì)為零，溫差電勢(shì)相互抵消，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢(shì)為零；熱電偶的兩個(gè)電極材料不同果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等，則溫差電勢(shì)為零，接觸電勢(shì)相互抵消，熱電偶回路內(nèi)的總電勢(shì)為零；熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)應(yīng)處于不同溫度場(chǎng)2015/3/31 Tuesday17E(T ,T ) kT ln nA (T ) k0 ) T ( )dTAB0en (T )en (T )T0ABBB0如4.3.2熱電偶的工作原理E(T ,T ) kT ln nA (T

9、 ) k)T0()dTAB0ABen (T )en(T )T0BB0兩個(gè)接點(diǎn)材料確定EAB (T ,T0 ) f (T ) f (T0 )兩個(gè)接點(diǎn)的溫度有關(guān)溫度T0不變EAB (T ,T0 ) f (T ) C (T )回路電勢(shì)是T的單值函數(shù)。熱電偶測(cè)溫基本原理2015/3/31 Tuesday184.3.2熱電偶的工作原理熱電偶實(shí)際應(yīng)用：使用時(shí)用儀表直接測(cè)量回路電勢(shì)，不再區(qū)分是溫差電勢(shì)還是接觸電勢(shì)；由于與接觸電勢(shì)相比溫差電勢(shì)甚小，所以使用時(shí)忽略溫差電勢(shì)；使用時(shí)采用查熱電偶分度表來確定被測(cè)溫度，分度表是通過實(shí)驗(yàn)建立的熱電勢(shì)與溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系； 分度表將端（冷端）溫度定為0。2015/3/

10、31 Tuesday19熱電偶分度表2015/3/31 Tuesday204.3.2熱電偶的工作原理6、常用熱電偶熱電偶常以熱電極材料命名，例如鉑銠鉑、鎳鉻鎳硅等。熱電極材料的要求：有300多種，廣泛應(yīng)用的有4050種。熱電特性穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化；熱電勢(shì)要大，熱電特性應(yīng)為線性或近似線性關(guān)系；電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高；4）制造方便，易于，有良好的互換性。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差有的標(biāo)準(zhǔn)分度表，有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶沒有的分度表，用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。2015/3/31 Tuesday214.3.2熱電偶的工作原理常用8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶會(huì)產(chǎn)生新的熱電勢(shì)嗎？

11、型 號(hào)材料測(cè)量溫度TT0S鉑銠10鉑-501768R鉑銠13鉑-501768B鉑銠30鉑銠601820K-2701372鎳鉻鎳硅冷端溫度為0N鎳鉻硅鎳硅鎳鉻-E鎳鉻銅鎳合金（）鎳鉻-鎳硅J鐵銅鎳合金（）T銅銅鎳合金（）銅-鉑銠10-鉑鉑銠30-鉑銠62015/3/31 Tuesday4.3.3熱電偶的基本定律1. 中間溫度定律熱電偶AB的熱電勢(shì)取決于熱電偶的材料和兩個(gè)接點(diǎn)的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布及熱電極的參數(shù)和形狀無關(guān)。AAA+ TcTT0TTcT0BBBEAB (T,T0 ) EAB (T,TC ) EAB (TC ,T0 )熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。2015/3/31 Tuesday2

12、34.3.3熱電偶的基本定律【例】用鉑銠10-鉑熱電偶測(cè)量爐溫時(shí)，當(dāng)冷端溫度T0=30時(shí)，測(cè)得熱電勢(shì)E(T,T0)=393V，求實(shí)際爐溫。由T0=30查分度表得E(30，0)=173V，根據(jù)中間溫度定律得:E(T , 0) E(T , 30) E(30, 0) 393 173 566V則查表得爐溫T=89。2015/3/31 Tuesday24熱電偶分度表E(T , 0) E(T , 30) E(30, 0) 393 173 566V2015/3/31 Tuesday254.3.3熱電偶的基本定律2.中間導(dǎo)體定律在熱電偶AB的任意部位接入第三根導(dǎo)體C，只要保持兩接入點(diǎn)的溫度相同，則導(dǎo)體C的接入

13、對(duì)路電勢(shì)沒有影響。AAT0ACTTcTCT0TT0BT0BBEABC (T ,T0 ) EAB (T ,T0 )EABC (T ,TC ,T0 ) EAB (T ,T0 )2015/3/31 Tuesday26導(dǎo)線將熱電偶的熱電勢(shì)引入到儀表中進(jìn)量的理論基礎(chǔ)。Tc回4.3.3熱電偶的基本定律根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以用開路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬或金屬壁面測(cè)溫。2015/3/31 Tuesday274.3.3熱電偶的基本定律3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律任意兩導(dǎo)體A、B分別與導(dǎo)體C組成熱電偶，且這兩個(gè)熱電偶接點(diǎn)溫度相同，則用導(dǎo)體AB組成的熱電偶的熱電勢(shì)等于熱電偶AC和熱電偶CB熱電勢(shì)代數(shù)和。AAC+TT0TT0TT0BC

14、BEAB (T ,T0 ) EAC (T ,T0 ) ECB (T ,T0 ) EAC (T ,T0 ) EBC (T ,T0 )方便了熱電偶兩個(gè)電極的選配2015/3/31 Tuesday284.3.3熱電偶的基本定律在工程測(cè)量中，由于純鉑的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，高，易提純，所以目前常將純鉑作為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極定律為熱電偶的電極選配提供了方便。較【例】鉑銠30鉑熱電偶的EAC(1084.5 , 0)=13.976mV,鉑銠6鉑熱電偶的EBC(1084.5,0)=8.354mV。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律：鉑銠30鉑銠6熱電偶EAB(1084.5, 0）=13.9768.354=5.622mV。2015/

15、3/31 Tuesday294.3.4熱電偶的誤差及補(bǔ)償1、熱電偶的冷端誤差及補(bǔ)償分度表冷端參考溫度0？（1）0恒溫法（2）修利用中間溫度定律：將冷端保持在某一恒定溫度TC，將測(cè)得的電勢(shì)值在加上一個(gè)常數(shù)即可。冰點(diǎn)槽示意圖常數(shù)2015/3/31 Tuesday30EAB (T,T0 ) EAB (T,) TCEAB (TC,T0 )4.3.4熱電偶的誤差及補(bǔ)償利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值（3）補(bǔ)償電橋法R1, R2, R3R4R 錳銅線繞制電阻（固定電阻） 銅線繞制補(bǔ)償電阻（熱電阻） 限流電阻 電橋電源E調(diào)整R4，使得電橋輸出 Uab=0冷端誤差補(bǔ)償電橋熱電勢(shì)

16、Ex若Ex= Uab冷端溫度R4 失衡 Uab U輸出不變AB2015/3/31 Tuesday31補(bǔ)償：平衡：全臂電橋：4.3.4熱電偶的誤差及補(bǔ)償（4）延引熱電極法用導(dǎo)線將冷端移至溫度變化比較平緩的環(huán)境中，再采用上述補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償。便宜電極：直接延長(zhǎng)貴重電極：采用與熱電偶熱特性相近的補(bǔ)償導(dǎo)線EAB (T0,T0 ) EAB (T0,T0 )補(bǔ)償條件2015/3/31 Tuesday32補(bǔ)償導(dǎo)線的分類型號(hào)與分度號(hào)所謂補(bǔ)償導(dǎo)線就是用熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成導(dǎo)線。用它將熱電偶的參比端延長(zhǎng)到需要的地方，而且不會(huì)對(duì)熱電偶回路引入超出允許的附加測(cè)溫誤差。隨著熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化，補(bǔ)償導(dǎo)線也形成了標(biāo)準(zhǔn)系

17、列。國際電工也制定了國際標(biāo)準(zhǔn)，適合于標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶使用。2015/3/31 Tuesday33補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)配用熱電偶的分度號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲補(bǔ)償導(dǎo)線顏色正 極負(fù) 極正 極負(fù) 極SCS(鉑銠10-鉑)SPC(銅)紅綠(銅鎳)KCK(鎳鉻-鎳硅)KPC(銅)KNC(銅鎳)紅藍(lán)KXK(鎳鉻-鎳硅)KPX(鎳鉻)KNX(鎳硅)EXE(鎳鉻-銅鎳)EPX(鎳鉻)ENX(銅鎳)紅棕JXJ(鐵-銅鎳)JPX(鐵)JNX(銅鎳)紅紫TXT(銅-銅鎳)TPX(銅)TNX(銅鎳)紅白4.3.4熱電偶的誤差及補(bǔ)償2、熱電偶的動(dòng)態(tài)誤差及時(shí)間常數(shù)動(dòng)態(tài)誤差 T T T dTT測(cè)量溫度gdt熱電偶時(shí)間常數(shù)tTg T Tg T0

18、 e初始條件0，積分T=T運(yùn)算2015/3/31 Tuesday34T T0 0.632 Tg T0 T T T T t0g01e 當(dāng)t 時(shí)1dT 1 dt Tg TT T T dTgdt4.3.4熱電偶的誤差及補(bǔ)償2、熱電偶的動(dòng)態(tài)誤差及時(shí)間常數(shù)須減小，從而減小動(dòng)態(tài)誤差熱電偶的時(shí)間常數(shù)（s）c 熱接點(diǎn)的比熱(J/(kgK) 熱接點(diǎn)的密度(kg/m3) V熱接點(diǎn)容積(m3)熱接點(diǎn)與被測(cè)介質(zhì)間的對(duì)流傳熱系數(shù)(W/m2K)A0熱接點(diǎn)與被測(cè)介質(zhì)間接觸的表面積(m2)2015/3/31 Tuesday35 = cV A04.3.4熱電偶的誤差及補(bǔ)償3、熱電偶的其它誤差：分度誤差儀表誤差與接線誤差干擾和漏電誤差測(cè)量?jī)x表內(nèi)阻要大測(cè)量導(dǎo)線電阻要小熱電勢(shì)在mV范，通常用動(dòng)圈式儀表、電位差計(jì)、示波器和數(shù)字式測(cè)溫儀表等測(cè)量。2015/3/31 Tuesday36圍4.3.5熱電偶的組成、分類及特點(diǎn)1.普通裝配式熱電偶用于測(cè)量液體和氣