機械工程測試技術(shù)（第2版）課件：溫度的測量

溫度的測量機械工程測試技術(shù)（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology學(xué)習(xí)導(dǎo)航13.1溫度標準與測量方法

(TemperatureStandardandMeasurementMethod)13.2接觸式測溫傳感器

(Contact-typetemperaturemeasuringsensor)

13.3

非接觸式測溫

(Non-contacttemperaturemeasurement)13.4溫度測量實例

(Temperaturemeasurementinstances)知識導(dǎo)圖13.1溫度標準與測量方法

13.1.1溫度和溫標溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度概念的建立和溫度的測量都是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。溫標是溫度的數(shù)值表示方法，是用來衡定物體溫度的尺度。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(零點)和測量溫度的單位，各種溫度計的刻度值均由溫標確定。13.1溫度標準與測量方法1攝氏溫標(℃)

物理基礎(chǔ)：水銀溫度變化與體膨脹成線性關(guān)系。分度方法：標準大氣壓下水的冰點為零度(0℃)，沸點為100度(100℃)，用這兩個固定點分度玻璃水銀溫度計，100等分，每等分為1℃。2華氏溫標(°F)標準大氣壓下冰點為32°F，沸點為212°F，中間劃分為180等分，每一等分稱為1°F。13.1溫度標準與測量方法3熱力學(xué)溫標（開氏溫標

(K)、國際溫標）(K))熱力學(xué)溫標是一種與工作介質(zhì)無關(guān)的溫標，它以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，已由國際計量大會采納作為國際統(tǒng)一的基本溫標。國際溫標采用熱力學(xué)溫度，符號為T，單位為開爾文(K)，它是國際單位制(SI)的基本單位，定義為水的三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16。當前廣泛使用的國際溫標是國際計量委員會(CIPM)批準的國際溫標(ITS-90)。攝氏溫度t由熱力學(xué)溫度T導(dǎo)出：13.1溫度標準與測量方法13.1.2溫度的測量方法接觸測量法。熱平衡被破壞，不適于小物體的溫度測量。非接觸測量法。利用熱輻射或電磁原理，不破壞平衡狀態(tài)，動態(tài)響應(yīng)好，精度較低。類型接觸式非接觸式必要條件感溫元件必須與被測物體相接觸，被測物體的溫度不變感溫元件能接收到物體的輻射能特點不適宜熱容量小的物體溫度測量不適宜動態(tài)溫度測量便于多點，集中測量和自動控制被測物體溫度不變適宜動態(tài)溫度測量適宜表面溫度測量測量范圍適宜1000℃以下的溫度測量適宜高溫測量測溫精度測量范圍的1%左右一般在10℃左右滯后較大較小接觸式與非接觸式測溫方法比較13.1溫度標準與測量方法13.2接觸式測溫傳感器

13.2.1熱電偶

熱電偶的工作原理應(yīng)用廣泛，工作原理基于物體的熱電效應(yīng)。13.2接觸式測溫傳感器1熱電效應(yīng)兩種導(dǎo)體組成閉合回路，若兩接點的溫度不等（T＞T0），回路中就會產(chǎn)生電勢，稱為溫差電效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。相應(yīng)的電勢稱為溫差電勢，即熱電勢。測量時，工作端即熱端（T

）置于測量環(huán)境，自由端即冷端（T0

）溫度應(yīng)保持恒定。產(chǎn)生的熱電勢EAB(T,T0)由兩種導(dǎo)體的接觸電勢eAB和單一導(dǎo)體的溫差電勢EA和EB組成。圖熱電效應(yīng)13.2接觸式測溫傳感器(1)接觸電勢兩種不同材料的導(dǎo)體A、B的連接點分別發(fā)生電子擴散，其速率與自由電子的密度和導(dǎo)體的溫度成正比。若導(dǎo)體A的自由電子密度大于B的自由電子密度，A的電子就會擴散到B，因此A帶正電，B帶負電，形成接觸電勢。接觸電勢阻礙電子的進一步擴散，平衡時，一般為10-2～10-3V。接觸電勢與導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫差有關(guān)。當T=T0時，盡管兩接觸點都存在接觸電勢,但回路中總接觸電勢等于零。

圖接觸電勢a)電子擴散示意圖b)等價電路13.2接觸式測溫傳感器電子電荷量

電子密度1.6021892×10–19C波爾茲曼常數(shù)1.38066×10–23J/K回路中總的接觸電勢是兩個結(jié)點的電勢之差，即：13.2接觸式測溫傳感器2單一導(dǎo)體的溫差電勢湯姆遜系數(shù)，溫差1℃產(chǎn)生的溫差電勢。在均勻的導(dǎo)體材料中，如果兩端的溫度不等，將產(chǎn)生溫差電勢。高溫端電子的能量大于低溫端的，向低溫端擴散。高溫端失去電子而帶正電，當電子運動達到動平衡,溫差電勢達到一個相對穩(wěn)態(tài)值。

溫差電勢比接觸電勢小得多，一般為10-5V。導(dǎo)體A、B所組成回路的總溫差電勢是兩個導(dǎo)體溫差電勢之差，即:單一導(dǎo)體溫差電勢a)電子擴散示意圖b)等價電路13.2接觸式測溫傳感器熱電偶的總電動勢：因此，總電勢為兩個接點電勢之差。熱電偶電動勢的組成13.2接觸式測溫傳感器當熱電偶的兩個電極材料不同，且兩個結(jié)點的溫度不同時，才會產(chǎn)生電勢，它是兩個接點溫度的函數(shù)：EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)當自由端溫度為常數(shù)，即f(T0)=C

，有EAB(T,T0)=f(T)－C=Φ(T)依此建立標準的熱電偶分度表。該表是將自由端溫度保持為0℃，通過實驗建立起來的熱電勢與溫度之間的數(shù)值關(guān)系。13.2接觸式測溫傳感器2熱電偶的基本定律

(1)中間溫度定律EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)＋EAB(Tn,T0)當在冷端溫度為某恒定值時，可以利用熱電偶分度表確定工作端的溫度值。例

用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫，當冷端溫度為30℃，測得熱電勢E(T,30)=39.17mV，求實際爐溫。由分度表，E(30,0)=1.2mV，于是，有：E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=39.17+1.2=40.37(mV)由分度表得爐溫T=946℃。13.2接觸式測溫傳感器(2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中，通常要介入導(dǎo)線和儀表。只要接入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同，對回路的總熱電勢就沒有影響，如圖，有：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)－EAB(T,T0)=EAB(T,T0)熱電偶接入中間導(dǎo)體的回路a)中間導(dǎo)體定律第三導(dǎo)體接入方法一b)中間導(dǎo)體定律第三導(dǎo)體接入方法二13.2接觸式測溫傳感器(3)標準電極定律若電極A，B與電極C組成的熱電偶的電勢分別為EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，在相同結(jié)點溫度下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電勢EAB(T,T0)=EAC(T)－EBC(T0)把電極C作為標準電極，通常選用純鉑絲。因為它的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點高，易提鈍。例鉑銠30-鉑熱電偶的E(1084.5,0)=13.976mV,鉑銠6-鉑的E(1084.5,0)=8.354mV。于是，對于鉑銠30-鉑銠6，有:E(1084.5,0)=13.976－8.354=5.613mV13.2接觸式測溫傳感器3標準化熱電偶標準化熱電偶批量生產(chǎn)，性能優(yōu)良、穩(wěn)定，同一型號具有互換性，具有統(tǒng)一的分度。鉑銠10

-鉑

性能穩(wěn)定，準確度高，可用于基準熱電偶。熱電勢較低，價格貴，不能用于金屬蒸氣和還原性氣體中。鉑銠30-鉑銠6穩(wěn)定性和機械強度高于鉑銠10-鉑，測量溫度可達1800℃，室溫下的熱電勢較低?？勺鳂藴薀犭娕?，一般不需要補償和修正。由于熱電勢較低，需要高靈敏度和高精度儀表。13.2接觸式測溫傳感器

鎳鉻-鎳硅或鎳鉻-鎳鋁

熱電勢較高，熱電特性的線性較好，化學(xué)穩(wěn)定性良好，抗氧化性和抗腐蝕性較強。穩(wěn)定性稍差，測量精度不高。鎳鉻-考銅(Ni43.5,Cu56.5)

熱電勢較高，電阻率小，適于還原性和中性氣氛下測量，價格便宜，測量上限較低。鎳鉻-康銅(Ni45,Cu55)

熱電勢較高，價格低。高溫下易氧化，適于低溫和超低溫測量。13.2接觸式測溫傳感器4熱電偶冷端的溫度補償熱電偶冷端溫度不變時，輸出才是溫度的單值函數(shù)。（1）參考端溫度恒定法參考端形成用途冰點式參考端常用的冰點瓶是在保溫瓶內(nèi)盛滿冰水混混物用于校正標準熱電偶等高精度溫度測量電子式參考端利用半導(dǎo)體制冷的原理，冷卻密封的水槽，從而把參考端溫度保持在0℃。體積小，操作簡單恒溫槽式參考端利用溫度調(diào)節(jié)器將參考端溫度保持恒定。如果它的溫度不是0℃，要用其它溫度計測出其溫度并進行修正用于熱電溫度計的溫度測量室溫式參考端無參考端溫度恒定裝置，或?qū)⒖级酥糜谟椭校糜偷亩栊允箙⒖级藴囟缺３忠恢录敖咏覝赜糜诰炔惶叩臏囟葴y量參考端的形式和用途13.2接觸式測溫傳感器冰點式參考端工作示意圖13.2接觸式測溫傳感器（2）冷端補償法采用兩種導(dǎo)線組成的補償導(dǎo)線將熱電偶冷端引至溫度穩(wěn)定之處。不同的熱電偶要配接不同的補償導(dǎo)線。熱電偶補償導(dǎo)線的應(yīng)用13.2接觸式測溫傳感器(3)電橋補償法熱電偶冷端與電橋置于同一環(huán)境中，電阻RH是由溫度系數(shù)較大的鎳絲制成，而其余電阻則由溫度系數(shù)很小的錳絲制成。補償電橋法13.2接觸式測溫傳感器13.2.2熱電阻溫度計

1常用的熱電阻溫度計

(1)鉑熱電阻物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，溫度范圍可達1200℃，目前廣泛應(yīng)用。熱電阻的電阻比是表征性能重要指標，通常用W(100)表示：W(100)的值越高，鉑絲的純度越高。100℃時的電阻值0℃時的電阻值把溫度的變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化。工業(yè)上被廣泛地用于低溫及中溫（-200～500℃）范圍內(nèi)的溫度測量。13.2接觸式測溫傳感器當t=－200～0℃時，在0℃以上，鉑絲的電阻值與溫度之間具有較好的線性。當t=0～650.755℃時，13.2接觸式測溫傳感器(2)銅熱電阻

價格便宜，易于提純，復(fù)制性較好;

電阻溫度系數(shù)為(4.25～4.28)×10-3/℃，靈敏度較高;

線性較好，阻值與溫度的關(guān)系為缺點是電阻率較低，易氧化，測溫范圍?。ǎ?0～150℃）。13.2接觸式測溫傳感器13.2.3熱敏電阻和集成溫度傳感器

正溫度系數(shù)(PTC):溫度超過某值時，電阻值朝正方向變化。用于電氣設(shè)備的過熱保護，定溫控制等。負溫度系數(shù)(NTC):用于自動控制及電子線路的熱補償。臨界溫度系數(shù)(CTC):電阻在某個溫度值急劇變化。用于溫度開關(guān)。與金屬熱電阻相比，靈敏度高、體積小、熱慣性小、響應(yīng)快；線性、互換性和穩(wěn)定性較差。適用于－100～300℃。1熱敏電阻利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件。（1）熱敏電阻分類13.2接觸式測溫傳感器(2)NTC熱敏電阻的溫度特性參考溫度，KT0時的電阻材料常數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬絲的高很多，所以它的靈敏度較高。熱敏電阻的溫度特性13.2接觸式測溫傳感器2集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片上的傳感器，它能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于-50℃～+150℃之間測量。與傳統(tǒng)的熱敏電阻、熱電阻、雙金屬片等其他溫度傳感器相比，具有測溫精度高、復(fù)現(xiàn)性好、線性優(yōu)良、體積小、熱容量小、穩(wěn)定性好、輸出電信號大、成本低、使用方便等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于溫度檢測、控制和許多溫度補償電路中。13.2接觸式測溫傳感器集成溫度傳感器采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件，使其直接給出正比于絕對溫度的嚴格的線性輸出。其中BG1和BG2是結(jié)構(gòu)和性能完全相同的晶體管，都處于正向工作狀態(tài)。集成溫度傳感器的電路圖k—系數(shù)，q為電荷數(shù)；Ies1、Ies2—BG1和BG2管的發(fā)射極反向飽和電流；I1和I2—集電極電流。13.2接觸式測溫傳感器（1）電流型集成溫度傳感器

電路是在差分對管電路的基礎(chǔ)上，用兩只PNP管分別與BG1和BG2串聯(lián)組成所謂的電流鏡，兩只PNP管BG3、BG4具有完全相同的結(jié)構(gòu)和性能，且發(fā)射極偏壓相同，BG3與BG4組成恒流源，且兩者集電極電流相同。電流型集成溫度傳感器電路13.2接觸式測溫傳感器美國AD公司生產(chǎn)的AD590、我國生產(chǎn)的SD590都是典型的電流型集成溫度傳感器。AD590的電流-溫度特性曲線如圖所示。AD590的電流-溫度特性曲線13.2接觸式測溫傳感器2．電壓型集成溫度傳感器

電壓型集成溫度傳感器是指輸出電壓與溫度成正比的溫度傳感器。BG3、BG4、BG5是結(jié)構(gòu)和性能完全相同的PNP晶體管，發(fā)射極偏壓又相同，BG3與BG4組成恒流源，且兩者集電極電流相同（稱為電流鏡），與電流型集成溫度傳感器相同。電壓型集成溫度傳感器的電路圖溫度系數(shù)為：13.2接觸式測溫傳感器13.2.4機械溫度傳感器

雙金屬溫度計屬于機械溫度傳感器，由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的，一種固體膨脹式溫度計。結(jié)構(gòu)簡單、牢固，又可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化，不僅用于測量溫度，而且還用于溫度控制裝置(尤其是開關(guān)的“通-斷”控制)，其使用范圍相當廣泛。雙金屬溫度計的工作原理雙金屬溫度計13.2接觸式測溫傳感器13.3非接觸式測溫

13.3.1熱輻射原理

熱輻射理論是輻射式測溫儀表的理論依據(jù)。任何受熱物體都有一部分熱能轉(zhuǎn)化為輻射能，并以電磁波的形式向外輻射。不同的物體是由不同的原子組成的，因此能發(fā)出不同波長的波，其輻射波長的范圍可以從γ射線一直到無線電波，其中能被其它物體吸收并重新轉(zhuǎn)化為熱能的波長范圍有0．4～0．77μm的可見光和0．77～40μm的紅外線，這部分射線稱為熱射線，所傳遞過程稱為熱輻射。物體所發(fā)射輻射能的多少與物體溫度有一定的關(guān)系，所以熱輻射現(xiàn)象可以用來測溫。13.3非接觸式測溫輻射式測溫計的類型及性能輻射式測溫計類型測溫原理敏感元件工作波長/μm響應(yīng)時間/s測溫范圍/oC精確度/%光學(xué)高溫計測量單色輻射亮度人眼0.6～0.7（0.66）取決于操作者800～3200±(0.5～1.5)光電高溫計光電倍增管0.3～1.20.4～1.10.6～3.0<3（<1）400～2000±(0.5～1.5)比色高溫計測量兩個單色輻射的亮度比值光電池0.4～1.1<3400～2000±(1～1.5)全輻射高溫計測量全輻射能量熱電堆0.4～14（0～∞）0.5～4600～2500±(1.5～2)部分輻射（紅外）高溫計測量部分輻射能量光電池熱敏電阻熱釋電元件硫化鉛光敏電阻0.41.10.2～404～2000.6～3.0<1-50～3000±113.3非接觸式測溫13.3.2紅外測溫

光柵盤由兩片扇形光柵板組成，一塊固定，一塊可動?？蓜影迨芄鈻耪{(diào)制電路控制，按一定頻率正、反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)開(透光)、關(guān)(不透光)，使入射線變?yōu)橐欢l率的能量。可測范圍0～600℃，時間常數(shù)為4～10ms。紅外測溫儀的工作原理13.3非接觸式測溫13.3.2紅外測溫

1．紅外測溫儀（點溫儀）

圖紅外測溫儀的工作原理13.3非接觸式測溫按測溫范圍可分為：高溫測溫儀(700℃～3200℃)

中溫測溫儀（100℃～700℃)

低溫測溫儀（100℃以下〉。按成像特性可分為：望遠型（測量遠距離目標的溫度）一般型（測量1?5m處目標的溫度）顯微型（用于測量微小物體的溫度）。紅外測溫儀的一些主要技術(shù)參數(shù)有：測溫范圍、工作波段、測溫精確度、最小可分辨溫差、讀數(shù)重復(fù)一致性、響應(yīng)時間、焦點處目標尺寸、距離系數(shù)﹑實際工作距離﹑輻射率調(diào)整范圍等。13.3非接觸式測溫2．紅外熱像儀

基于物體的熱輻射，把被測溫度的空間分布顯示為等溫曲線的圖像，即熱像。紅外熱像儀的工作原理13.3非接觸式測溫熱像儀的主要參數(shù)1）工作波段：工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測器的響應(yīng)波長區(qū)域，一般是3～5μm或8～12μm。2）探測器類型：探測器類型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元（元數(shù)8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光電導(dǎo)或光伏紅外探測器，其采用的元素有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PnSe）、碲化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）、鍺摻雜（Ge：X）和硅摻雜（Si：X）等。3）掃描制式：一般為我國標準電視制式、PAL制式。4）顯示方式：指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。5）溫度測定范圍：指測定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。6）測溫準確度。7）最大工作時間：紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時間。13.3非接觸式測溫13.3.3全輻射溫度計

被測對象的輻射由光學(xué)系統(tǒng)聚焦到多對串聯(lián)熱電偶組成的熱電堆。熱電堆的電勢與被測對象溫度的4次方成正比。全輻射高溫計的工作原理13.3非接觸式測溫13.3.4光學(xué)高溫計

光學(xué)高溫計利用受熱物體的單色輻射強度隨溫度升高而增加的原理制成，由于它采用單一波長進行亮度比較，也稱單色輻射溫度計。物體在高溫下會發(fā)光，也就是具有一定的亮度。物體的亮度B與其輻射強度E成正比。受熱物體的亮度反映物體的溫度。通常，先得到被測物體的亮度溫度，然后轉(zhuǎn)化為物體的真實溫度。隱絲式光學(xué)高溫計結(jié)構(gòu)簡圖a)原理圖b)標準溫度燈13.3非接觸式測溫在被測對象的背景上有一根燈絲，如看到的是暗的背景上亮的燈絲說明燈絲亮度高于被測物體，應(yīng)調(diào)整燈絲電流使其亮度降低，如背景亮而燈絲發(fā)黑，則燈絲亮度比對象低，應(yīng)調(diào)整增高燈絲亮度，直到燈絲隱滅而看不清（即燈絲頂部與對象分不清），則說明二者亮度相等，即可讀取測量結(jié)果了。圖燈絲與物像亮度比較a)燈絲亮度偏低b)燈絲亮度偏高c)燈絲與物像亮度一致a)b)c)13.3非接觸式測溫13.3.5比色高溫計

比色高溫計(colorcomparatorpyrometer)又稱比率高溫計或雙色高溫計，是測量物體色溫度的高溫計。當非黑體的兩個確定波長λ1和λ2的光譜輻射度之比L(λ1)/L(λ2)等于某一溫度下黑體的同樣兩個波長的光譜輻射度之比時，則黑體的溫度就稱為此非黑體的色溫度。雙色比色高溫計原理圖13.3非接觸式測溫比色高溫計的測量范圍為800～2000℃，測量精度可接近量程上限的±0.5％。比色高溫計的優(yōu)點是測量的色溫度值很接近真實溫度。在有煙霧、灰塵或水蒸氣等環(huán)境中使用時，由于這些媒質(zhì)對λ1及λ2的光波吸