第三章 溫度測量.ppt

1、第三章 溫度測量及儀表,本章主要內容,什么是溫標？,衡量溫度的標準尺度。譬如規(guī)定什么樣的溫度是150，什么樣的溫度是200,3-1 溫度的測量方法,一、溫標,國際普遍使用的溫標有四種：熱力學溫標、 國際實用溫標、攝氏溫標、華氏溫標。,溫標三要素：溫度計、固定點、內插方程,1.攝氏溫標 1740年瑞典人攝氏(Celsius),定義 水銀體膨脹是線性； 標準大氣壓下純水的冰點是攝氏零度，沸點為100度， 而將汞柱在這兩點間等分為100格，每等分格為攝氏1度，標記為。,2.華氏溫標,定義 1714年德國人法倫海脫(Fahrenheit)以水銀為測溫介質，制成玻璃棒水銀溫度計。規(guī)定水的沸點為212度，

2、氯化銨與冰的混合物為0度(純水冰點32度)，中間等分為212份，每一份為1度記作。稱為華氏溫標。,3.熱力學溫標(理想),Q1：卡諾熱機從高溫熱源吸收熱量；Q0：卡諾熱機向低溫熱源放出熱量 Q1/Q0 =T1/T0,假設一卡諾熱機工作在溫度為T0 （273.16K）的低溫熱源和未知溫度的高溫熱源之間，如果該卡諾熱機向低溫熱源放出的熱量為Q0 ，從高溫熱源吸收的熱量為Q1 ，那么高溫熱源的溫度為 T1 = Q1/Q0 T0,熱力學溫度的內插方程,假設一標準熱源熱力學溫度為100K，熱力學溫標如何規(guī)定300K的溫度？,拿標準熱源作為低溫熱源，另一熱源作為高溫熱源，讓一卡諾熱機在兩熱源之間運轉，如果

3、從高溫熱源吸收的熱量Q1與向標準熱源放出的熱量Q0之比等于3 ，那么高溫熱源溫度等于300K,3.熱力學溫標,現(xiàn)實中熱力學溫標是應用氣體特性方程實現(xiàn)的。理想氣體的P、V、T之間的關系式為：,以水的三相點作為參考點，這樣可按照氣體壓力變化測溫。,（氣體定容溫度計）,3.熱力學溫標（實際）,選用水的三相點溫度為273.16，定義水的三相點溫度的1/273.16為1度，單位為k，這樣就建立了熱力學溫標。只要確定一個基準點，則整個溫標就確定了。,3.熱力學溫標,4.國際實用溫標ITS-90,指導思想: 應盡量與熱力學溫標接近，溫度的復現(xiàn)性要好。 內容 （1）定義了固定點，共有17個。 （2）規(guī)定不同區(qū)

4、域內的基準儀器。 （3）建立基準儀器示值與國際溫標之間的插補公式。,國際實用溫標指出，熱力學溫度為基本物理量，規(guī)定水的三相點溫度為273.16，單位為k，1k的大小為水的三相點熱力學溫度的1/273.16，由于攝氏溫標將冰點定義為0，而冰點比水的三相點低0.01k，那么冰點溫度為273.15k，即 單位。,4.國際溫標ITS-90,二、溫度測量儀表分類與選擇,玻璃管液體溫度計,固體膨脹式,壓力式溫度計,膨脹式溫度計測溫,熱電偶測溫,熱電阻測溫,接觸法,非接觸法,測溫方法,溫度測量方法的分類,1接觸法測溫：敏感元件直接與被測對象接觸，通過傳導或對流達到熱平衡，反映被測對象的溫度。 優(yōu)點：直觀、可

5、靠。 缺點：存在負載效應， 受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢測元件溫度與被測對象溫度不一致。 熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。（動態(tài)誤差）,2非接觸法測溫：檢測部分與被測對象不直接接觸，不破壞原有溫度場。通常用來測量1000以上的移動、旋轉、或反映迅速的高溫物體。,溫度測量方法的分類,溫度傳感器,裝配式熱電偶,防爆熱電阻,3-2 膨脹式溫度計,測溫敏感元件在受熱后尺寸或體積發(fā)生變化，采取一些簡便方法，測出它的尺寸或體積變化的大小。,分類：液體膨脹式、固體膨脹式、壓力式,（一）工作原理 利用玻璃管內液體的體積隨溫度的升高而膨脹的原理。 組成：液體存儲器、毛細管、標尺、安全泡四部分。

6、液體可為：水銀、酒精、甲苯等。 當溫度超過300時，應采用硅硼玻璃，500以上要采用石英玻璃。,一.玻璃管液體溫度計,4,（二）結構與類型 棒式玻璃溫度計 內標式玻璃溫度計 電接點式溫度計,利用水銀的熱脹冷縮和水銀的導電性。 功能:(1）指示溫度， （2）恒溫自動控制。,玻璃棒溫度計,（三）誤差分析,（1）玻璃材料有較大的熱滯后效應。 （2）溫度計插入深度不夠將引起誤差， （3）非線性誤差 （4）工作液的遲滯性 （5）讀數誤差,液柱應全部浸入被測介質中。若只有部分液柱被浸沒時，應對指示值進行修正。,某水銀溫度測量水溫為90，插入處刻度為10，環(huán)境溫度為10 ，則測量誤差為-1.024,n: 露

7、出液體部分所占的刻度數，: 工作液體對玻璃的相對體膨脹系數（汞0.00016，灑精0.000103），t: 溫度計的示值，ta: 露出液柱部分所處的環(huán)境溫度,（三）誤差分析,玻璃管液體溫度計使用注意事項,溫度計與被測介質應接觸足夠長的時間，以使溫度計與被測介質達到熱平衡。 讀數時，視線應與標盡垂直，并與液柱于同一水平面上，手持溫度計頂端的小耳環(huán)，不可觸摸標尺。,二.固體膨脹式溫度計,（一）類型及工作原理 利用固體受熱膨脹原理制成的溫度計 1. 桿式溫度計 利用固體（一般采用膨脹系數較大的金屬）材料構成,2 雙金屬溫度計,它的感溫元件是由膨脹系數不同的兩種金屬片牢固地結合在一起制成。,可作溫度繼

8、電控制、極值溫度控制信號,雙金屬溫度計,三.壓力式溫度計,（一）工作原理與結構形式 1 原理 壓力式溫度計是利用密封系統(tǒng)中測溫物質的壓力隨溫度變化來測溫； 2 分類 按所充物質相態(tài)分充氣式、沖液式、蒸發(fā)式 按功能分：指示式、記錄式、報警式和溫度調節(jié)式等,3 組成 溫包、毛細管、感壓元件（彈簧管、波紋管等）,（二）使用方法與特點 對毛細管采取保護措施，防止損壞；注意安裝方式與位置對精度的影響。 特點：結構簡單，價格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滯后時間長，毛細管易損壞。,3-3 熱電偶,標準熱電偶,?,熱電偶,3-3 熱電偶,一熱電偶的工作原理 1熱電效應：將兩種不同材料的導體或半導體組成一

9、個閉和回路，如果兩端點的溫度不同，則回路中將產生一定大小的電動勢（電流)，這個電動勢的大小同材料的性質以及節(jié)點溫度有關，上述現(xiàn)象稱為熱電效應。這個現(xiàn)象是1821年Seebeck發(fā)現(xiàn)的故又稱為塞貝克效應。,2接觸電勢：當兩種不同的導體接觸時，由于兩者有不同的電子密度而產生的電勢。,波爾滋曼常數(K=1.38*10-23,e=4.802*10-10,A，B材料的湯姆遜系數,3.溫差電勢（湯姆遜溫差電勢）,如果T0=const.，則EAB=f(T1),熱電偶回路中總熱電勢,二、熱電偶的基本定律,利用熱電偶來檢測溫度，必須引入變換器和顯示器。,A,B,T1,T0,（一）熱電偶均質導體定律: 由同一均質

10、導體（電子密度處處相等）組成的閉合回路中， 不論導體的截面、長度以及溫度分布如何，均不產生熱電勢。,檢驗熱電偶絲的均勻性,二、熱電偶的基本定律,二、熱電偶的基本定律,（二）中間導體定律: 在熱電偶回路中接入第三導體，只要與第三種導體相連接的兩端溫度相同，接入第三種導體后，對熱電偶回路中的總熱電勢沒有影響。,思考題,六種不同的導體組成如圖回路，寫出回路中總的熱電勢。,?,二、熱電偶的基本定律,（三）熱電偶的中間溫度定律: 熱電偶在兩接點溫度為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在兩接點溫度分別為T、TN和TN、T0時相應熱電勢的代數和。,結論（1）已知熱電偶在某一冷端溫度下進行分度，只要引入適當的修正

11、就可在另一冷端溫度下使用。 熱電偶分度表中冷端溫度為0，在實際測量中若熱電偶的冷端溫度為20，則可應用中間溫度定律進行計算。,舉例：用鉑銠10鉑熱電偶測溫，冷端溫度為25，輸出電勢為0.668mV，試求被測對象的溫度。,查表得被測溫度為122。,（2）補償導線,鍋爐,mV,T,T0,T0,T0 ,T0 ,貴,A,B,如果在T0T0 范圍內，某對廉價導線的熱電性能與貴金屬熱電偶相同，則可以用這對導線代替從T0 點到T0點一段的熱電偶線，而不影響熱電偶的熱電勢值，同時降低熱電偶測量成本。,補償導線,鍋爐,mV,T,T0 ,T0 ,T0,T0,將熱電偶全用補償導線代替行嗎？,補償導線,性能 在一定溫

12、度范圍和誤差范圍內與熱電偶的熱電性能相同 作用 使熱電偶冷端遠離熱源 注意 兩個接點溫度不能超過規(guī)定溫度 兩個接點溫度應當相同。否則，由于熱電偶與補償導線的熱電特性并不完全相同，可能會引起較大的測量誤差。 正負極不能接反,三、熱電偶的種類及結構形式,（一）種類：國際電工委員會（ICE）對熱電偶公認性能比較好的材料制定了統(tǒng)一的標準，ICE推薦的標準化熱電偶7種。,三、熱電偶的種類及結構形式,（二）熱電偶的結構類型,1.普通工業(yè)熱電偶 結構：熱電極，絕緣套管，接線盒，保護套管,1.普通工業(yè)熱電偶,2.鎧裝熱電偶,結構：熱電極，絕緣材料，保護套管,特點：測量端熱容量小，動態(tài)響應快，機械強度高，撓性好

13、，耐高壓，耐振動，壽命長，適用各種工業(yè)測量。,鎧裝熱電偶,3.小慣性熱電偶,特點：響應快，時間常數小，可作溫度變化的動態(tài)測量。,表面溫度熱電偶,表面溫度熱電偶,四、熱電偶冷端溫度處理方法,1. 補償導線法,鍋爐,mV,T,mV,T0 ,T0 ,T0,T0,2.冷端恒溫法,實驗室多用冰槽精度高,工業(yè)用冷端恒溫器,3.計算補償法,原理: 利用中間溫度定律 實際冷端通過補償導線引到溫度為Tn的周圍環(huán)境,例用鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫，冷端Tn=25，EAB(T，Tn)=40.347mV，求被測對象的實際溫度。 由分度表知： EAB(25 ，0 )=1mV EAB(T， 0 )=40.347+1.00mV4

14、1.347mV 由分度表知，T1002 ,校正儀表機械零點: 當熱電偶與動圈儀表配套使用時，如果冷端相對恒定，測量精度要求不高，可將儀表的機械零點調到熱電偶冷端溫度Tn，這就相當于在輸入電勢之前，就有一個補償電勢EAB(Tn， 0 )，則,4.補償電橋法,利用電橋不平衡原理，橋臂熱電阻隨溫度變化，產生補償電壓V,具體實現(xiàn)方法,R1=R2=R3=1 與溫度無關 熱電阻20，RCU= 1， Vab=0；環(huán)境不等于20 ，電橋失去平衡，產生電勢Vab與E(Tn,T0)相等，疊加補償 電橋又叫毫伏發(fā)生器 使用時，注意零點是20 ,五、熱電偶誤差及校驗,（一）熱電偶測量誤差 1.熱電偶分度誤差 2.補償

15、導線與熱電偶的熱電特性不完全相同帶來的誤差 3.冷端溫度變化引起的誤差 4.熱電極變質產生的誤差 5.絕緣不良引起的誤差 6.二次儀表的基本誤差,（二）熱電偶的校驗,熱電偶出廠使用一段時間后，或熱電偶重新焊制后，應進行校驗 高于300熱電偶的校驗原理與方法,3-4電阻溫度計,熱電 阻測溫原理,熱電 阻的類型,熱電 阻測溫電路,三種測溫方法比較,本節(jié)主要內容,一、熱電阻測溫原理,對于一個給定電阻，其電阻值是溫度的單值函數，因而可以通過測量電阻值來推算溫度。,電阻溫度系數：在某一溫度間隔內，溫度變化1時的電阻相對變化量，單位為1/ 。,平均電阻溫度系數,金屬導體電阻溫度系數一般為正值 純金屬一般為

16、0.380.68%，金屬純度越高，其電阻溫度系數越大 半導體材料的電阻溫度系數一般為負值,一、熱電阻測溫原理,電阻比：W（100）= 金屬導體純度越高，電阻比越大。,金屬與半導體作為測溫元件要具備的條件,電阻溫度系數應大 復現(xiàn)性要好 電阻率大 價格便宜，工藝性好,一、熱電阻測溫原理,二、熱電阻的類型,金屬熱電阻 鉑熱電阻 銅熱電阻 鎳熱電阻 半導體熱敏電阻,1 鉑熱電阻,特點：準確度高，穩(wěn)定性好、性能可靠、有較高電阻率，廣泛應用于基準、標準化儀器中，是目前測溫復現(xiàn)性最好的一種。 使用范圍：-200850。 電阻純度：W（100）= 1.3850 規(guī)格型號：Pt100、Pt10、Pt1000。,

17、電阻值與溫度關系,結構：電阻絲、絕緣管、保護套管、接線盒,1 鉑熱電阻,鉑電阻,2 銅熱電阻,特點：線性度高、電阻溫度系數高、價格便宜、電阻率低、易氧化。 使用范圍：-50180。,電阻值與溫度關系,標準化熱電阻Cu50, Cu100,3、半導體熱敏電阻,隨著溫度的增高阻值降低，具有負的溫度系數，測溫范圍-40350。 電阻值隨溫度按指數曲線變化，,與金屬熱電阻比較： 電阻溫度系數大，熱敏電阻的電阻溫度系數約為-（36）%，金屬熱電阻約為0.40.6%。 電阻率大，可將電阻作的很大而體積很小，電阻阻值大，連接導線所用的電阻可忽略不計。 結構簡單，體積小，可用于測量點溫度 熱慣性小 工藝和互換性

18、差。,NSP功率型NTC熱敏電阻器,CWF型NTC精密溫度傳感器,MF11型NTC熱敏電阻器,溫度傳感器,4、熱電阻的分類,(1)、普通型熱電阻 (2)、鎧裝熱電阻 （3）薄膜鉑熱電阻 （4）厚膜鉑熱電阻,三、熱電阻測溫電路,分類： 平衡電橋 不平衡電橋 數字表法,平衡電橋二線法,電源電壓和穩(wěn)定性一般不影響測量結果 如果不計RW隨溫度的變化，Rt與RH 觸點位置成線性關系 連接導線的電阻隨溫度變化引起測量誤差,1 平衡電橋,平衡電橋三線法,電源電壓和穩(wěn)定性一般不影響測量結果 連接導線的電阻隨溫度變化引起測量誤差被削弱,不平衡電橋法,I,連續(xù)自動顯示，結構簡單，價格便宜 Rt與I成非線性關系 電源電壓的穩(wěn)定性對測量結果有影響，應該使用穩(wěn)壓電源 連接導線電阻隨溫度變化會引起測量誤差，三線接法可以削弱,二線制,三線制,數字表法（四線接法）,Rt=V/I,高精度恒流源 電壓表回路中無電流，熱電阻兩端電壓不受影響 自熱電流很小 電流不大于6mA，高精度電流源不大于1mA，熱敏電阻不大于100A。,四、三種測溫方法的比較,三種測溫方法適用場合,銅-康銅（T