自動檢測技術(shù)第五章

1第五章溫度測量2溫度的概念宏觀上：是物體冷、熱程度的表示。微觀上：是物體內(nèi)部分子運動平均動能的表示。溫度不具有疊加性溫標(biāo)的研究。為了給溫度以定量的描述，并保證測量結(jié)果的精確性和一致性，需建立一個科學(xué)的、嚴(yán)格的統(tǒng)一的標(biāo)尺，稱為溫標(biāo)。溫標(biāo)三要素：可實現(xiàn)的固定點溫度；表示固定點之間溫度的內(nèi)插儀器；確定相鄰固定溫度點之間的內(nèi)插公式；3攝氏溫標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）1、單位“℃”2、水冰點：0℃、水沸點：100℃；3、水銀玻璃溫度計；4、水銀體積膨脹分100等份，每份為1℃。華氏溫標(biāo)1、單位“°F”2、氯化銨和冰水混合物為0°F，水的冰點為32°F，水的沸點為212°F，中間180等分，每份為1°F。溫標(biāo)—經(jīng)驗溫標(biāo)溫度特性依賴于所選用測溫物質(zhì)的性質(zhì)4熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上的理論溫標(biāo)。在溫度為T1的高溫?zé)嵩捶艧酫1；在溫度為T2的低溫?zé)嵩次鼰酫2；溫標(biāo)—熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)單位：K—開爾文（開或K）熱力學(xué)溫標(biāo)：定義水的三相（固、液、氣）共存溫度（0.01℃）為273.16K。并以1/273.16為1K。國際公認(rèn)的作為統(tǒng)一表述溫度的基礎(chǔ)，一切溫度的測量儀均以熱力學(xué)溫度為準(zhǔn)。5國際溫標(biāo):ITS-90（記為T90）（InternationalTemperatureScale-1990）國際溫標(biāo)單位：K—開爾文（開或K）攝氏溫度：t90熱力學(xué)溫度：T90t90=T90-273.15溫標(biāo)—國際溫標(biāo)6溫度標(biāo)準(zhǔn)定期逐級的校驗比較過程稱為溫度標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。按照精度等級分為以下三類：1、基準(zhǔn)溫度計，工作基準(zhǔn)溫度計；2、一等標(biāo)準(zhǔn)溫度計和二等標(biāo)準(zhǔn)溫度計；3、工業(yè)用溫度計。溫度標(biāo)準(zhǔn)的傳遞7溫度檢測方法溫度不能直接測量，只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來加以間接測量。分類按測量范圍

按用途

超低溫、低溫、中高溫、超高溫標(biāo)準(zhǔn)儀表、實用儀表

按工作原理

膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計

按測量方式

接觸式與非接觸式

測溫方式溫度計種類測溫范圍℃優(yōu)點缺點接觸式測溫儀表膨脹式玻璃液體-50～600結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量準(zhǔn)確，價格低廉測量上限和精度受玻璃質(zhì)量的限制，易碎，不能記錄遠傳雙金屬-80～600結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠精度低，量程和使用范圍有限壓力式液體氣體蒸汽-30～600-20～3500～250結(jié)構(gòu)簡單，耐震，防爆，能記錄、報警，價格低廉精度低，測溫距離短，滯后大熱電偶鉑銠-鉑鎳鉻-鎳硅鎳鉻-考銅0～1600-50～1000-50～600測溫范圍廣，精度高，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制需冷端溫度補償，在低溫段測量精度較低熱電阻鉑銅-200～600-50～150測量精度高，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制不能測高溫，需注意環(huán)境溫度的影響非接觸式測溫儀表輻射式輻射式光學(xué)式比色式400～2000700～3200900～1700測溫時，不破壞被測溫度場低溫段測量不準(zhǔn)，環(huán)境條件會影響測溫準(zhǔn)確度紅外線光電探測熱電探測0～3500200～2000測溫范圍大，不破壞被測溫度場，響應(yīng)快易受外界干擾，標(biāo)定困難常用溫度計的種類及優(yōu)缺點膨脹式溫度計雙金屬片

雙金屬溫度信號器1雙金屬片；2調(diào)節(jié)螺釘；3絕緣子；4信號燈膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹

的性質(zhì)而制成的。壓力式溫度計它是根據(jù)在封閉系統(tǒng)中的液體、氣體或低沸點液體的飽和蒸汽受熱后體積膨脹或壓力變化這一原理而制成的，并用壓力表來測量這種變化，從而測得溫度。壓力式溫度計結(jié)構(gòu)原理圖

1傳動機構(gòu)；2刻度盤；3指針；

4彈簧管；5連桿；6接頭；7毛細管；

8溫包；9工作物質(zhì)應(yīng)用壓力隨溫度的變化來測溫的儀表叫壓力式溫度計。

溫包

毛細管

彈簧管（或盤簧管）

11熱電偶測溫?zé)犭娦?yīng)是熱電偶測溫的基本原理。把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，如果將兩個接點分別置于不同的溫度下，則該回路內(nèi)部會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這個閉合回路稱為熱電偶。單獨的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為電極。T:工作端、熱端、測量端。T0:自由端、冷端、參考端。12由熱電效應(yīng)可知，閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成，表示為：由于溫差電勢比接觸電勢小很多，常常把它忽略不計，熱電偶的電勢也可表示為：產(chǎn)生熱電勢必須滿足兩個條件：1、兩種接觸點必須處于不同的溫度2、熱電偶必須使用兩種不同的材料+，-，符號代表熱電勢的方向13熱電偶均質(zhì)導(dǎo)體定律1、熱電偶必須由兩種性質(zhì)不同的導(dǎo)體構(gòu)成。2、如由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，則熱電勢僅與兩接點溫度有關(guān)，與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。3、非均質(zhì)導(dǎo)體相當(dāng)于不同性質(zhì)的熱電極組成的熱電偶，所以均質(zhì)性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)。14要測量毫伏信號，必須在熱電偶回路中串接毫伏信號的檢測儀表，串接的儀表是否會產(chǎn)生額外的熱電勢，對熱電偶回路產(chǎn)生影響呢？要說明以上問題，首先介紹熱電偶的一個基本定律，中間導(dǎo)體定律。熱電偶中間導(dǎo)體定律熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體后，如果接入導(dǎo)體兩端的溫度相同，則不會影響回路總電勢。中間導(dǎo)體定律是接入導(dǎo)體和儀表測量熱電勢的條件和基礎(chǔ)。15熱電偶標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)接點溫度為T和T0，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢等于A，C熱電偶和C，B熱電偶的熱電勢的代數(shù)和，則導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（一般由鉑制成）。16熱電偶連接導(dǎo)體定律工業(yè)上運用補償導(dǎo)線進行溫度測量的理論基礎(chǔ)。17=0熱電偶中間溫度定律只要得到參考端溫度T0=0℃時的熱電勢，則通過測量中間溫度的熱電勢EAB(T,Tn)，將兩者直接求和，即可反映出測量端溫度。這為熱電勢分度奠定了理論基礎(chǔ)。18熱電偶的材料1、兩種材料組成的熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢，以獲得較高的靈敏度，且要求電勢和溫度之間盡可能的成線性關(guān)系；2、能應(yīng)用于較寬的溫度范圍，物理和化學(xué)特性比較穩(wěn)定（較好的耐熱性、抗氧化、抗還原和抗腐蝕性）；3、具有較高的導(dǎo)電率和較低電阻溫度系數(shù)；4、工藝性好，利于批量生產(chǎn)。19常用熱電偶的材料、特點1、貴金屬熱電偶：鉑銠10-鉑（S偶），鉑銠30-鉑銠6(B偶)，鉑銠13-鉑（R偶），測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，精度高，熱電勢小，價格貴。2、廉價金屬熱電偶：鎳鉻-鎳硅（K偶），鎳鉻-康銅（E偶），銅-康銅（T偶），靈敏度高，熱電勢大，熱電特性線性度好，價格低，測溫范圍較窄。3、難熔金屬熱電偶：鎢錸合金構(gòu)成，用于高溫測量。熱電偶分度表熱電偶正負(fù)極20熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極絕緣管保護套管接線盒材料工作溫度/℃橡皮、絕緣漆琺瑯玻璃管石英管瓷管純氧化鋁管80150500120014001700常用絕緣子材料常用保護套管材料材料工作溫度/℃無縫鋼管不銹鋼管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上23普通裝配型

熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭24常用熱電偶的材料、特點鎧裝式熱電偶：熱電極、耐高溫金屬粉末（如氧化鋁）、不銹鋼套管三者一起拉細而組成一體，外徑0.25-12mm不等。（科研用）特點：慣性小、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、力學(xué)性能良好、抗振、可撓等。25鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）26隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒27常用熱電偶的材料、特點薄膜式熱電偶：采用真空蒸鍍或化學(xué)涂層等制造工藝將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上，形成薄膜熱電偶。測量端接點極薄，0.01-0.1μm。基板為云母或浸漬酚醛塑料片等材料。測溫范圍一般在300℃以下。28熱電偶的冷端冰點法補償T0穩(wěn)定的維持在0℃精度最高。溯源性好，用于熱電偶校準(zhǔn)。精度最高的處理方法。29熱電偶的冷端熱電勢修正補償把冷端置于已知的恒溫條件，得到穩(wěn)定的T0，根據(jù)然后得到實際溫度T。30熱電偶的冷端補償器法補償R4（銅絲）R1=R2=R３=1Ω(錳銅絲)Rg（限流）當(dāng)T0=0℃時，R4=1Ω，四臂電阻相等，電橋平衡，橋路輸出電壓Uba=0。指示儀表總的熱電勢為：31熱電偶的冷端補償器法補償當(dāng)T0↑→R4↑→a點電位↓同時由T0↑→EAB(T,T0)↓調(diào)整Rg電阻→Uba=[E(T,0)-E(T,T0)]→總電勢不隨T0而變。當(dāng)T0變化時，由于冷端補償器的接入，儀表所指示的總電勢E仍保持為E(T,0)，相當(dāng)于熱電偶冷端自動處于0℃。32熱電偶的冷端補償導(dǎo)線法補償在0～100℃范圍內(nèi)，熱電特性與所取代的熱電偶絲基本一致；電阻率低；價格必須比熱電偶絲便宜。33補償導(dǎo)線外形A’B’屏蔽層保護層34熱電偶測溫特點1、構(gòu)造簡單、使用方便、具有較高的準(zhǔn)確度、溫度測量范圍寬；2、常用測溫范圍：-50~+1600℃；特殊材料，測溫范圍可擴為：-180~+2800℃；常用于測量+300℃以上的溫度；3、應(yīng)用極為廣泛；可用于測溫空間微小的場合；4、熱電勢?。?、需冷端補償。35熱電偶測溫回路36熱電偶測溫回路—反接測量溫度差。輸入到測量儀表的熱電勢為兩個熱電偶的熱電勢之差。兩個熱電偶的新冷端溫度必須相同兩個熱電偶的熱電勢與溫度必須是線性關(guān)系37熱電偶測溫回路—并聯(lián)測量平均溫度。當(dāng)一支熱電偶燒斷時不易被發(fā)現(xiàn)。38熱電偶測溫回路—串聯(lián)測量低溫或溫度變化很小的場合;或者測量溫度差。當(dāng)有熱電偶燒斷時，總熱電勢消失，可以立即知道有熱電偶燒斷。39動圈式溫度指示儀40動圈式溫度指示儀41手動電位差計42熱電偶的校驗與分度各種因素導(dǎo)致熱電偶與原分度值或標(biāo)準(zhǔn)分度表的偏離越來越大，因此需要定期校驗。比較式校驗法—比較式校驗設(shè)備校驗注意事項：1、加熱時，穩(wěn)定在各校驗點的±10℃，讀取數(shù)值時爐溫不得超過±2℃，讀數(shù)不得少于4次。2、純凈冰水混合物，保持0℃，絕緣。3、如是鉑銠—鉑材料，需清理。4、如果檢驗多只熱電偶，注意讀數(shù)順序，并需要正反讀數(shù)。43熱電偶的誤差分析1、熱電偶分度誤差△12、補償導(dǎo)線誤差△23、冷端補償器誤差△34、測量儀表誤差△444熱電阻測溫利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變的性質(zhì)來測量溫度（電阻的熱效應(yīng)）。多數(shù)金屬導(dǎo)體在溫度升高1℃時，阻值增加0.4%—0.6%。多數(shù)具有負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體在溫度升高1℃時，阻值減小3%—6%。工業(yè)用熱電阻測溫范圍為-200～+500℃。45熱電阻材料要求1、電阻溫度系數(shù)要大。2、有較大的電阻率。3、在測溫范圍內(nèi)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。4、復(fù)現(xiàn)性好、復(fù)制性強、易得到純凈物質(zhì)。5、電阻值與溫度的關(guān)系近似為線性關(guān)系，便于測溫的分度和讀數(shù)。6、價格低。鉑、銅、鐵、鎳和一些半導(dǎo)體材料比較適合做熱電阻。46鉑熱電阻特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、易于提純、復(fù)制性好、具有良好的工藝性、可以制成極細的鉑絲、電阻率較高；在0℃以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線。作用：工業(yè)測量,溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)儀器。缺點：電阻溫度系數(shù)小，在還原氣氛中，特別是在高溫下，易被污染變脆、價格昂貴。常用鉑電阻。測溫范圍：-200～+850℃。47鉑電阻阻值隨溫度變化的規(guī)律A=3.90802×10-3(℃-1)；B=-5.802×10-7(℃-2)；C=-4.27350×10-12(℃-4)。分度號Pt100Pt1048銅熱電阻優(yōu)點：線性度好，電阻溫度系數(shù)大、價格低、精度適中；缺點：高于100℃時，易被氧化；測溫范圍：-50～+150℃。常用銅電阻分度號：Cu100和Cu50。A=4.28899×10-3(℃-1)；B=-2.133×10-7(℃-2)；C=1.233×10-9(℃-3)。49熱電阻的結(jié)構(gòu)類型—普通玻璃燒結(jié)式；陶瓷架式；云母管架式50熱電阻的結(jié)構(gòu)類型—鎧裝熱電阻，保護套管，絕緣材料封裝成一個整體。51熱電阻的結(jié)構(gòu)類型—薄膜真空鍍膜法將鉑直接蒸鍍在陶瓷基體上制成的熱電阻。厚膜—7μm，薄膜—2μm。52半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻—熱敏電阻。材料：常用一定比例的錳、鎳、銅、鈦、鎂的氧化物混合制成分類：負(fù)溫度系數(shù)NTC正溫度系數(shù)PTC臨界溫度系數(shù)CTR53半導(dǎo)體熱電阻54半導(dǎo)體熱敏電阻的外形55半導(dǎo)體熱敏電阻的特點測溫范圍：-100—300℃優(yōu)點：1、電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高。2、電阻率大，利于小型化，連接導(dǎo)線影響可以忽略；3、結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可以用于測量點溫度；4、熱慣性小，適用于表面溫度及快速變化溫度。缺點：熱敏電阻溫度特性分散、互換性差、非線性嚴(yán)重。56熱電阻測溫電橋兩線制接法電橋測量金屬熱電阻(幾歐-幾十歐范圍)時，引線電阻和連接導(dǎo)線電阻隨溫度變化而變化，這會影響熱電阻測溫精度。為了消除此影響，發(fā)展了三線制、四線制接法熱電阻測溫橋路。571、接入一個橋臂；2、引線與連接導(dǎo)線的電阻Rl隨環(huán)境溫度的變化全部加入到熱電阻的變化之中；3、簡單，為了誤差不致過大，要求引出線的電阻值隨溫度的變化，特性為：銅：<=0.2％(R0)；鉑:<=0.1％(R0)。581、第三根接到電源線上；2、電源與電橋的連接點a從儀表內(nèi)部的橋路上移到熱電阻附近；3、另外兩根引線和連接導(dǎo)線的電阻分別加到電橋相臨兩橋臂中。效果：引線與連接導(dǎo)線電阻變化影響減小。59熱電阻元件的校驗1、比較法2、兩點法熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差分析1、熱電偶分度誤差△12、自熱誤差△23、線路電阻變化帶來的誤差△34、顯示儀表誤差△460輻射式測溫法輻射測溫是利用物體輻射能與其溫度有關(guān)的原理進行測溫，測溫元件與被測物不直接接觸，以輻射方式進行熱交換，實現(xiàn)非接觸測溫?？梢詼y量處于運動狀態(tài)的對象，沒有測量上限的限制，應(yīng)用范圍較廣。測溫過程：1、有一個熱輻射源（被測對象）2、有輻射能傳遞通道（大氣、光導(dǎo)纖維或真空）3、有接收和處理輻射信號的儀表。61輻射是由電磁波傳遞能量的過程。絕對零度以上時，由于物體內(nèi)部帶電粒子熱運動就會向外發(fā)射出不同波長的電磁波，把這類電磁波的傳播過程稱為熱輻射。62根據(jù)被測目標(biāo)物面積的大小，離探測器的遠近，分為點源和面源。把充滿輻射探測器瞬時視場的大面積輻射源稱為面源。把沒有充滿輻射探測器瞬時視場的輻射源稱為點源。輻射測量得到的輻射能采用一些輻射物理量給予量度。熱輻射源631、輻射能Q：可見光和紅外線也是一種能量傳播形式，以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的能量稱為輻射能，單位J（焦耳）。2、輻射通量Φ(輻射功率)：單位時間內(nèi)，通過某一面積的輻射能量，稱為經(jīng)過該面積的輻射通量。單位J/s或W。輻射物理量643、輻射強度I：把輻射源看作稱一個點源，則定義點源在某一個指定方向，單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為輻射強度（W/sr）。單色輻射強度Iλ：也稱為光譜輻射強度，是指在波長為λ附近單位波長間隔內(nèi)的輻射強度。（W/sr·μm)輻射物理量654、輻射亮度L：輻射源在單位投影輻射面積、單位立體角范圍的輻射功率稱為輻射亮度L(W/cm2.sr)。光譜輻射亮度Lλ：輻射源在波長屬于λ附近的單位波長間隔的輻射亮度Lλ(W/cm2.sr.μm)輻射物理量665、輻射出射度M：是輻射表面上每單位面積所發(fā)出的輻射功率（W/cm2）。

光譜輻射出射度Mλ：在波長λ附近單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度Mλ（W/cm2.μm）。輻射物理量676、吸收率、反射率和透射率

輻射物理量不透明材料：氣體：

黑體：在任何溫度下都能全部的吸收投射到其表面的任何波長的輻射能量。687、比輻射率ε（黑度、輻射率）：物體溫度在T時，所有波長范圍內(nèi)的輻射出射度M與同溫度下黑體的輻射出射度Mb之比。

光譜比輻射率ελ（單色黑度、單色輻射率