現(xiàn)代測控技術課件

現(xiàn)代測控技術第三章溫度檢測接觸式測溫2非接觸式測溫33測溫方法及溫標31光纖溫度傳感器43.1測溫方法及溫標測溫原理溫度是國際單位制(SI)7個基本物理量之一溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運動平均動能大小的標志。溫度的定量測量以熱平衡現(xiàn)象為基礎，兩個受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時間的熱交換，達到共同的平衡態(tài)后具有相同的溫度。溫度測量原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理性質隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關的物理量，即可確定被測對象的溫度。3.1測溫方法及溫標溫度檢測方法的分類3.1測溫方法及溫標溫標為了客觀地計量物體的溫度，必須建立一個衡量溫度的標尺，簡稱溫標。建立溫標就是規(guī)定溫度的起點及其基本單位。早期建立的華氏溫標和攝氏溫標都是根據(jù)物體體積的熱脹冷縮現(xiàn)象制定的，通常稱為經(jīng)驗溫標。華氏溫標規(guī)定，冰點為32℉，水沸點為212℉

，兩者中間分180等份。攝氏溫標規(guī)定，冰點為0℃，水沸點為100℃，兩者中間分100等份。3.1測溫方法及溫標華氏溫標tF和攝氏溫標tC的換算關系？3.1測溫方法及溫標ITS—90國際溫標中規(guī)定熱力學溫度用符號T90表示，單位為開爾文，符號為K。開爾文的大小為水的三相點熱力學溫度的1/273.16。同時使用的國際攝氏溫度的符號為t90，單位是攝氏度，符號為℃，每一個攝氏度和每一個開爾文的量值相同。 t90=T90-273.15ITS—90國際溫標由三部分組成：定義固定點、內插標準儀器、內插公式3.1測溫方法及溫標溫標的傳遞國際實用溫標系由各國計量部門按規(guī)定分別保持和傳遞，由定義固定點及一整套基準儀表復現(xiàn)溫度標準，再通過基準和標準測溫儀表逐級傳遞，各類溫度計在使用前均要按傳遞系統(tǒng)的要求進行檢定。一般實用工作溫度計的檢定裝置采用各種恒溫槽和管式電爐，用比較法進行檢定。比較法是將標準溫度計和被校溫度計同時放入檢定裝置內，以標準溫度計測定的溫度為已知，將被校溫度計的測量值與其相比較，從而確定被校溫度計的精度。3.2接觸式測溫一、熱電偶測溫熱電偶是溫度測量中應用最普遍的測溫器件，它的特點是測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業(yè)過程溫度測量的需要；結構簡單，動態(tài)響應好；輸出為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。3.2接觸式測溫熱電效應原理圖如圖所示，在這個閉合回路中，電子密度高的導體稱正電極，電子密度低的導體稱負電極，T端稱測量端或熱端，T0端稱參比端或冷端。測溫時，兩電極焊接在一起形成測量端，置于被測溫度處。而參比端一般要保持恒定溫度，并與測量儀表相接。由于接觸電勢遠大于溫差電勢，在工程測量中，通常忽略溫差電勢。回路總熱電勢表示為EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)3.2接觸式測溫

(1)熱電偶產(chǎn)生熱電勢的條件是兩種不同的導體材料構成回路，兩端接點處的溫度不同。(2)熱電勢大小只與熱電極材料及兩端溫度有關，與熱偶絲的粗細和長短無關。(3)熱電極材料確定以后，熱電勢的大小只與溫度有關。3.2接觸式測溫熱電偶的應用定則1、均質導體定則2、中間導體定則3、中間溫度定則3.2接觸式測溫2、中間導體定則在熱電偶回路中接入中間導體后，只要中間導體兩端的溫度相同，對熱電偶回路的總熱電勢值沒有影響。圖示為熱電偶接入中間導體的兩種情況。3.2接觸式測溫3、中間溫度定則熱電偶AB在接點溫度為T、T0時的熱電勢EAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點溫度為T、TC和TC、T0時的熱電勢EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代數(shù)和。 EAB(T,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)根據(jù)這一定則，只需列出熱電偶在參比端溫度為0℃的分度表，就可以求出參比端在其它溫度時的熱電勢值。3.2接觸式測溫分度表和參考函數(shù)在T0=0℃條件下，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同熱端溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，可以列出對應的分度表，常用熱電偶的熱電特性有分度表可查。溫度與熱電勢之間的關系也可以用函數(shù)式表示，稱為參考函數(shù)。ITS—90給出了熱電偶分度表和參考函數(shù)，它們是熱電偶測溫的依據(jù)。3.2接觸式測溫常用工業(yè)熱電偶目前國際上已有8種標準化熱電偶作為工業(yè)熱電偶在不同場合中使用。標準化熱電偶已列入工業(yè)化標準文件，具有統(tǒng)一的分度表，標準文件對同一型號的標淮化熱電偶規(guī)定了統(tǒng)一的熱電極材料及其化學成分、熱電性質和允許偏差，所以同一型號的標準化熱電偶具有良好的互換性。通常表示熱電偶所用熱電極材料時，前者為正極，后者為負極。3.2接觸式測溫3.2接觸式測溫3.2接觸式測溫熱電偶參比端溫度處理方式1、補償導線法3.2接觸式測溫2、參比端溫度測量計算法采用補償導線將熱電偶參比端溫度移到T0處，但是T0通常為環(huán)境溫度而不是0℃，此時需要測量參比端溫度。進行計算修正后，可查分度表求得T。參比端溫度測量計算法需要保持參比端溫度恒定。3.2接觸式測溫3、參比端恒溫法在實驗室情況及精密測量中，是把參比端置于能保持恒溫的冰點槽中，參比端溫度為0℃。測得熱電勢后，直接查分度表得知被測溫度。工業(yè)應用時，一般把參比端放在電加熱的恒溫器中，使其維持在某一恒定的溫度。3.2接觸式測溫5、一體化溫度變送器現(xiàn)在有一種裝配式熱電偶，直接制成“一體化溫度變送器”。這種溫度變送器具有參比端溫度補償功能，并裝在接線盒中，因而不需要補償導線，輸出信號為4~20mA或0~10mA標準信號，適用于-20~100℃的環(huán)境溫度，精確度可達±0.2％，配用這種裝置可簡化測溫電路設計。DDZⅡ0~10mADDZⅢ4~20mA1~5V練習題1用鉑銠10-鉑(分度號S)的熱電偶測溫，已知參比端溫度為20℃，測得熱電勢E(t,20)=11.30mV，試求被測溫度t？查熱電偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=11.30+0.113=11.413mV查表知：t=1155℃練習題2用鎳鎘-鎳硅(分度號K)的熱電偶測溫，已知參比端溫度為25℃，檢測端溫度為506℃，求產(chǎn)生的熱電勢是多少？E(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.900-1.000=19.900mV在煉鋼廠中有時直接將廉價熱電極(易耗品，例如鎳鉻-鎳硅熱偶絲，時間稍長即熔化)插入鋼水中測量鋼水溫度，如圖所示：試說明

1)為什么不必將工作端焊在一起?

2)要滿足哪些條件才不影響測量精度?采用上述方法是利用了熱電偶什么定律？

3)如果檢測物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？

3.2接觸式測溫二、熱電阻測溫熱電阻測溫基于導體或半導體的電阻值隨溫度而變化的特性。由導體或半導體制成的感溫器件稱為熱電阻。熱電阻測溫的優(yōu)點是信號可以遠傳、靈敏度高、無需參比溫度；缺點是需要電源激勵、有自熱現(xiàn)象會影響測量精度。金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。3.2接觸式測溫金屬熱電阻材料的選擇：選擇電阻隨溫度變化成單值連續(xù)關系的材料，最好是呈線性或平滑特性，這一特性可以用分度公式和分度表描述。有盡可能大的電阻溫度系數(shù)。電阻溫度系數(shù)一般表示為：有較大的電阻率，以便制成小尺寸元件，較小測溫熱慣性。測溫范圍內物理化學性能穩(wěn)定。復現(xiàn)性好、易于得到高純物質，價格便宜等。工業(yè)熱電阻：鉑熱電阻-200~850℃Pt10、Pt100銅熱電阻-40~140℃Cu50、Cu1003.2接觸式測溫工業(yè)熱電阻也有普通型和鎧裝型兩種形式3.2接觸式測溫熱電阻的引線方式工業(yè)上常用三線制接法，為什么？3.2接觸式測溫熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的溫敏元件。有三種基本類型：正溫度系數(shù)負溫度系數(shù)臨界溫度系數(shù)特點：溫度系數(shù)大、靈敏度高電阻值大、引線電阻可忽略體積小，熱響應快，廉價互換性差、測溫范圍窄在汽車、家電領域得到大量應用3.3非接觸式測溫非接觸式測溫非接觸式測溫方法以輻射測溫為主。具有一定溫度的物體都會向外輻射能量，其輻射強度與物體的溫度有關，可以通過測量輻射強度來確定物體的溫度。輻射測溫時，輻射感溫元件不與被測介質相接觸，不會破壞被測溫度場，可實現(xiàn)遙測；測量元件不必達到與被測對象相同的溫度，測量上限可以很高；輻射測溫適用于很寬的測量范圍，可達-50~6000℃。但是，影響其測量精度的因素較多，應用技術較復雜。3.3非接觸式測溫輻射測溫儀表的組成主要由光學系統(tǒng)、檢測元件、轉換電路和信號處理等部分組成。光學系統(tǒng)包括瞄準系統(tǒng)、透鏡、濾光片等，把物體的輻射能通過透鏡聚焦到檢測元件；檢測元件為光敏或熱敏器件；轉換電路和信號處理系統(tǒng)將信導轉換、放大、進行輻射率修正和標度變換后，輸出與被測溫度相應的信號。3.3非接觸式測溫常用方法光學系統(tǒng)和檢測元件對輻射光譜均有選擇性，因此，各種輻射測溫系統(tǒng)一般只接收波長范圍內的輻射能。輻射測溫的常用方法有四種：亮度法：按物體的光譜或部分連續(xù)波長輻射亮度推算溫度全輻射法：按物體全波長范圍的輻射亮度推算溫度比色法：按物體兩個波長的光譜輻射亮度之比推算溫度多色法：按物體多個波長的光譜輻射亮度和物體發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律來推算溫度3.3非接觸式測溫輻射溫度計400~2000℃比色溫度計550~3200℃3.4光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質而構成的新型測溫儀表，它有接觸式和非接觸式等多種型式。特點：靈敏度高電絕緣性能好，可適用于強烈電磁干擾、強輻射的惡劣環(huán)境體積小、重量輕、可彎曲可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭等近年來光纖溫度傳感器在許多領域得到應用。3.4光纖溫度傳感器1、液晶光纖溫度傳感器液晶光纖溫度傳感器利用液晶的“熱色”效應而工作。例如在光纖端面上安裝液晶片，在液晶片中按比例混入三種液晶，溫度在10~45℃范圍變化，液晶顏色由綠變成深紅，光的反射率也隨之變化，測量光強變化可知相應溫度，其精度約為0.1℃。不同類型的液晶光纖溫度傳感器的測溫范圍可在-50~250℃之間。3.4光纖溫度傳感器2、熒光光纖溫度傳感器熒光光纖溫度傳感器的工作原理是利用熒光材料的熒光強度隨溫度而變化，或熒光強度的衰變速度隨溫度而變化的特性，前者稱熒光強度型，后者稱熒光余輝型。其結構是在光纖頭部粘接熒光材料，用紫外光進行激勵，熒光材料將會發(fā)出熒光，檢測熒光強度就可以檢測溫度。熒光強度型傳感器的測溫范圍為-50~200℃熒光余輝型溫度傳感器的測溫范圍為-50~250℃。3.4光纖溫度傳感器3、半導體光纖溫度傳感器利用半導體的光吸收響應隨溫度而變化的特性，根據(jù)透過半導體的光強變化檢測溫度。(-0~300℃)例如單波長式半導體光纖溫度傳感器，半導體材料的透光率與溫度的特性曲線如圖所示，溫度變化時，半導體的透光率曲線亦隨之變化。3.4光纖溫度傳感器4、光纖輻射溫度計工作原理和分類與普通的輻射測溫儀表類似，它可以接近或接觸目標進行測溫。(2