現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)課件

現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)第三章溫度檢測(cè)接觸式測(cè)溫2非接觸式測(cè)溫33測(cè)溫方法及溫標(biāo)31光纖溫度傳感器43.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)測(cè)溫原理溫度是國(guó)際單位制(SI)7個(gè)基本物理量之一溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志。溫度的定量測(cè)量以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)，兩個(gè)受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時(shí)間的熱交換，達(dá)到共同的平衡態(tài)后具有相同的溫度。溫度測(cè)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(zhì)隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象的熱交換，測(cè)量相關(guān)的物理量，即可確定被測(cè)對(duì)象的溫度。3.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)溫度檢測(cè)方法的分類3.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)溫標(biāo)為了客觀地計(jì)量物體的溫度，必須建立一個(gè)衡量溫度的標(biāo)尺，簡(jiǎn)稱溫標(biāo)。建立溫標(biāo)就是規(guī)定溫度的起點(diǎn)及其基本單位。早期建立的華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)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(yàn)溫標(biāo)。華氏溫標(biāo)規(guī)定，冰點(diǎn)為32℉，水沸點(diǎn)為212℉

，兩者中間分180等份。攝氏溫標(biāo)規(guī)定，冰點(diǎn)為0℃，水沸點(diǎn)為100℃，兩者中間分100等份。3.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)華氏溫標(biāo)tF和攝氏溫標(biāo)tC的換算關(guān)系？3.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)ITS—90國(guó)際溫標(biāo)中規(guī)定熱力學(xué)溫度用符號(hào)T90表示，單位為開爾文，符號(hào)為K。開爾文的大小為水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。同時(shí)使用的國(guó)際攝氏溫度的符號(hào)為t90，單位是攝氏度，符號(hào)為℃，每一個(gè)攝氏度和每一個(gè)開爾文的量值相同。 t90=T90-273.15ITS—90國(guó)際溫標(biāo)由三部分組成：定義固定點(diǎn)、內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器、內(nèi)插公式3.1測(cè)溫方法及溫標(biāo)溫標(biāo)的傳遞國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)系由各國(guó)計(jì)量部門按規(guī)定分別保持和傳遞，由定義固定點(diǎn)及一整套基準(zhǔn)儀表復(fù)現(xiàn)溫度標(biāo)準(zhǔn)，再通過基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀表逐級(jí)傳遞，各類溫度計(jì)在使用前均要按傳遞系統(tǒng)的要求進(jìn)行檢定。一般實(shí)用工作溫度計(jì)的檢定裝置采用各種恒溫槽和管式電爐，用比較法進(jìn)行檢定。比較法是將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被校溫度計(jì)同時(shí)放入檢定裝置內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)定的溫度為已知，將被校溫度計(jì)的測(cè)量值與其相比較，從而確定被校溫度計(jì)的精度。3.2接觸式測(cè)溫一、熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕际菧囟葴y(cè)量中應(yīng)用最普遍的測(cè)溫器件，它的特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測(cè)量精度，能夠滿足工業(yè)過程溫度測(cè)量的需要；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；輸出為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制。3.2接觸式測(cè)溫?zé)犭娦?yīng)原理圖如圖所示，在這個(gè)閉合回路中，電子密度高的導(dǎo)體稱正電極，電子密度低的導(dǎo)體稱負(fù)電極，T端稱測(cè)量端或熱端，T0端稱參比端或冷端。測(cè)溫時(shí)，兩電極焊接在一起形成測(cè)量端，置于被測(cè)溫度處。而參比端一般要保持恒定溫度，并與測(cè)量?jī)x表相接。由于接觸電勢(shì)遠(yuǎn)大于溫差電勢(shì)，在工程測(cè)量中，通常忽略溫差電勢(shì)?；芈房偀犭妱?shì)表示為EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)3.2接觸式測(cè)溫

(1)熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的條件是兩種不同的導(dǎo)體材料構(gòu)成回路，兩端接點(diǎn)處的溫度不同。(2)熱電勢(shì)大小只與熱電極材料及兩端溫度有關(guān)，與熱偶絲的粗細(xì)和長(zhǎng)短無(wú)關(guān)。(3)熱電極材料確定以后，熱電勢(shì)的大小只與溫度有關(guān)。3.2接觸式測(cè)溫?zé)犭娕嫉膽?yīng)用定則1、均質(zhì)導(dǎo)體定則2、中間導(dǎo)體定則3、中間溫度定則3.2接觸式測(cè)溫2、中間導(dǎo)體定則在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體后，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)值沒有影響。圖示為熱電偶接入中間導(dǎo)體的兩種情況。3.2接觸式測(cè)溫3、中間溫度定則熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、TC和TC、T0時(shí)的熱電勢(shì)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(shí)的熱電勢(shì)值。3.2接觸式測(cè)溫分度表和參考函數(shù)在T0=0℃條件下，用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)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(shì)值，可以列出對(duì)應(yīng)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(shì)之間的關(guān)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(cè)溫的依據(jù)。3.2接觸式測(cè)溫常用工業(yè)熱電偶目前國(guó)際上已有8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶作為工業(yè)熱電偶在不同場(chǎng)合中使用。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶已列入工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)文件，具有統(tǒng)一的分度表，標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)同一型號(hào)的標(biāo)淮化熱電偶規(guī)定了統(tǒng)一的熱電極材料及其化學(xué)成分、熱電性質(zhì)和允許偏差，所以同一型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，前者為正極，后者為負(fù)極。3.2接觸式測(cè)溫3.2接觸式測(cè)溫3.2接觸式測(cè)溫?zé)犭娕紖⒈榷藴囟忍幚矸绞?、補(bǔ)償導(dǎo)線法3.2接觸式測(cè)溫2、參比端溫度測(cè)量計(jì)算法采用補(bǔ)償導(dǎo)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(shí)需要測(cè)量參比端溫度。進(jìn)行計(jì)算修正后，可查分度表求得T。參比端溫度測(cè)量計(jì)算法需要保持參比端溫度恒定。3.2接觸式測(cè)溫3、參比端恒溫法在實(shí)驗(yàn)室情況及精密測(cè)量中，是把參比端置于能保持恒溫的冰點(diǎn)槽中，參比端溫度為0℃。測(cè)得熱電勢(shì)后，直接查分度表得知被測(cè)溫度。工業(yè)應(yīng)用時(shí)，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(cè)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(bǔ)償功能，并裝在接線盒中，因而不需要補(bǔ)償導(dǎo)線，輸出信號(hào)為4~20mA或0~10mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，適用于-20~100℃的環(huán)境溫度，精確度可達(dá)±0.2％，配用這種裝置可簡(jiǎn)化測(cè)溫電路設(shè)計(jì)。DDZⅡ0~10mADDZⅢ4~20mA1~5V練習(xí)題1用鉑銠10-鉑(分度號(hào)S)的熱電偶測(cè)溫，已知參比端溫度為20℃，測(cè)得熱電勢(shì)E(t,20)=11.30mV，試求被測(cè)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(xí)題2用鎳鎘-鎳硅(分度號(hào)K)的熱電偶測(cè)溫，已知參比端溫度為25℃，檢測(cè)端溫度為506℃，求產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(shí)直接將廉價(jià)熱電極(易耗品，例如鎳鉻-鎳硅熱偶絲，時(shí)間稍長(zhǎng)即熔化)插入鋼水中測(cè)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(cè)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(cè)物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？

3.2接觸式測(cè)溫二、熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性。由導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的感溫器件稱為熱電阻。熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)可以遠(yuǎn)傳、靈敏度高、無(wú)需參比溫度；缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)、有自熱現(xiàn)象會(huì)影響測(cè)量精度。金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。3.2接觸式測(cè)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(guān)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(cè)溫?zé)釕T性。測(cè)溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定。復(fù)現(xiàn)性好、易于得到高純物質(zhì)，價(jià)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(cè)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(cè)溫?zé)犭娮璧囊€方式工業(yè)上常用三線制接法，為什么？3.2接觸式測(cè)溫?zé)崦綦娮锜崦綦娮枋怯媒饘傺趸锘虬雽?dǎo)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(fù)溫度系數(shù)臨界溫度系數(shù)特點(diǎn)：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(yīng)快，廉價(jià)互換性差、測(cè)溫范圍窄在汽車、家電領(lǐng)域得到大量應(yīng)用3.3非接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫方法以輻射測(cè)溫為主。具有一定溫度的物體都會(huì)向外輻射能量，其輻射強(qiáng)度與物體的溫度有關(guān)，可以通過測(cè)量輻射強(qiáng)度來(lái)確定物體的溫度。輻射測(cè)溫時(shí)，輻射感溫元件不與被測(cè)介質(zhì)相接觸，不會(huì)破壞被測(cè)溫度場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)；測(cè)量元件不必達(dá)到與被測(cè)對(duì)象相同的溫度，測(cè)量上限可以很高；輻射測(cè)溫適用于很寬的測(cè)量范圍，可達(dá)-50~6000℃。但是，影響其測(cè)量精度的因素較多，應(yīng)用技術(shù)較復(fù)雜。3.3非接觸式測(cè)溫輻射測(cè)溫儀表的組成主要由光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件、轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)包括瞄準(zhǔn)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(cè)元件；檢測(cè)元件為光敏或熱敏器件；轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理系統(tǒng)將信導(dǎo)轉(zhuǎn)換、放大、進(jìn)行輻射率修正和標(biāo)度變換后，輸出與被測(cè)溫度相應(yīng)的信號(hào)。3.3非接觸式測(cè)溫常用方法光學(xué)系統(tǒng)和檢測(cè)元件對(duì)輻射光譜均有選擇性，因此，各種輻射測(cè)溫系統(tǒng)一般只接收波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能。輻射測(cè)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(zhǎng)輻射亮度推算溫度全輻射法：按物體全波長(zhǎng)范圍的輻射亮度推算溫度比色法：按物體兩個(gè)波長(zhǎng)的光譜輻射亮度之比推算溫度多色法：按物體多個(gè)波長(zhǎng)的光譜輻射亮度和物體發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律來(lái)推算溫度3.3非接觸式測(cè)溫輻射溫度計(jì)400~2000℃比色溫度計(jì)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(zhì)而構(gòu)成的新型測(cè)溫儀表，它有接觸式和非接觸式等多種型式。特點(diǎn)：靈敏度高電絕緣性能好，可適用于強(qiáng)烈電磁干擾、強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境體積小、重量輕、可彎曲可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭等近年來(lái)光纖溫度傳感器在許多領(lǐng)域得到應(yīng)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(yīng)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(cè)量光強(qiáng)變化可知相應(yīng)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(cè)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(qiáng)度隨溫度而變化，或熒光強(qiáng)度的衰變速度隨溫度而變化的特性，前者稱熒光強(qiáng)度型，后者稱熒光余輝型。其結(jié)構(gòu)是在光纖頭部粘接熒光材料，用紫外光進(jìn)行激勵(lì)，熒光材料將會(huì)發(fā)出熒光，檢測(cè)熒光強(qiáng)度就可以檢測(cè)溫度。熒光強(qiáng)度型傳感器的測(cè)溫范圍為-50~200℃熒光余輝型溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-50~250℃。3.4光纖溫度傳感器3、半導(dǎo)體光纖溫度傳感器利用半導(dǎo)體的光吸收響應(yīng)隨溫度而變化的特性，根據(jù)透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)變化檢測(cè)溫度。(-0~300℃)例如單波長(zhǎng)式半導(dǎo)體光纖溫度傳感器，半導(dǎo)體材料的透光率與溫度的特性曲線如圖所示，溫度變化時(shí)，半導(dǎo)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(jì)工作原理和分類與普通的輻射測(cè)溫儀表類似，它可以接近或接觸目標(biāo)進(jìn)行測(cè)溫。(2