第四章過程參數(shù)檢測技術(shù)(溫度)

第四章過程參數(shù)檢測技術(shù)(溫度)第一頁，共36頁。4.1.測溫方法及溫標4.1.1.測溫原理及方法 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。

⒈原理： 選擇合適的物體作為溫度敏感元件，已知某一物理特性隨溫度而變化，通過其與被測對象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，既可確定溫度。

⒉方法： 接觸式測量和非接觸式測量。

第二頁，共36頁。溫度檢測方法分類膨脹類： 1）玻璃液體溫度計，（液體熱膨脹） 2）雙金屬溫度計，（熱脹差）熱電類：熱電偶溫度計，（熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)）電阻類：

鉑熱電阻，銅電阻，熱敏電阻（電阻變化）光學類：光纖溫度傳感器，光電高溫計， 紅外溫度計（熱輻射）

第三頁，共36頁。4.1.2.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。早期建立的華氏和攝氏溫標都是根據(jù)物體體積的熱脹冷縮制定的，成為經(jīng)驗溫標。華氏溫標與攝氏溫標的換算關(guān)系是：第四頁，共36頁。4.1.2.1.國際實用溫標世界上實際通用的溫標是國際實用溫標，由其來統(tǒng)一各國之間的溫度計量，這是一種協(xié)議溫標。始于1927年目前推行的是1990年國際實用溫標ITS-90。熱力學溫度用符號T表示，單位為開爾文，符號為K。攝氏溫度用符號t來表示，單位是攝氏度，符號為。和的關(guān)系是：

第五頁，共36頁。ITS-90國際實用溫標有三部分組成，分別是：定義固定點、內(nèi)插標準儀器和內(nèi)插公式。固定點是指某些純物質(zhì)各相態(tài)間可以復現(xiàn)的平衡態(tài)溫度的給定值。4.1.2.2.溫標的傳遞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，用標準表和被測表的對比，即比較法進行檢定。第六頁，共36頁。4.2.接觸式測溫4.2.1.熱電偶測溫⒈原理：熱電效應(yīng)。閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢分為：溫差電勢和接觸電勢兩種。閉合回路中產(chǎn)生的總熱電勢為：第七頁，共36頁。當T0一定其熱電勢只與溫度成單值函數(shù)關(guān)系，既

結(jié)論：⒈熱電偶產(chǎn)生熱電勢的條件是兩種不同的導體材料構(gòu)成，回路端點溫度不同。⒉熱電勢大小只與熱電極材料及溫度有關(guān)。⒊熱電極材料確定以后，熱電勢的大小只與溫度有關(guān)。第八頁，共36頁。4.2.1.2.熱電偶的應(yīng)用定則⑴均質(zhì)導體定則由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的截面和長度以及其溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。⑵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。⑶中間溫度定則

第九頁，共36頁。4.2.1.3.常用工作熱電偶實際選擇熱電極材料的要求如下：⑴在測溫范圍內(nèi)熱電性能穩(wěn)定⑵在測溫范圍內(nèi)物理化學性質(zhì)穩(wěn)定⑶熱電特性接近單值線性或近似線性⑷電導率高，電阻溫度系數(shù)小⑸機械性能好，強度高，性價比高第十頁，共36頁。4.2.1.3.常用工作熱電偶幾種常用工業(yè)熱電偶的主要性能和特點如下：⑴鉑銠合金、鉑系列的熱電偶：B,R,S型；使用溫區(qū)寬，特性穩(wěn)定，用與檢測較高溫度⑵廉價金屬熱電偶：K,N,E型；性能穩(wěn)定，產(chǎn)生的熱電勢大，熱電特性好，復現(xiàn)性好，抗氧化，抗輻射，使用范圍廣⑶低溫應(yīng)用熱電偶：T,J型；

第十一頁，共36頁。4.2.1.4.工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)形式工業(yè)熱電偶有普通型和鎧裝型兩種型式⑴普通型熱電偶為裝配式結(jié)構(gòu)，由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等部分組成。⑵鎧裝熱電偶是將熱電偶絲，絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后，經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體。第十二頁，共36頁。4.2.1.5.熱電偶參比端溫度的處理⑴補償導線法是一對與熱電偶配用的導線，在工作范圍內(nèi)與被補償?shù)臒犭娕季哂邢嗤碾妱?溫度關(guān)系。補償導線分延長型和補償型兩種。⑵參比端溫度測量計算法

式中E（T，T0）為測出的回路電勢，T0為已知溫度、⑶參比端恒溫法參比端溫度測量計算法需要保持參比端溫度恒定。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，溫度為0℃，測得電勢后直接查分度表得知被測溫度第十三頁，共36頁。4.2.1.6.熱電偶冷端溫度的補償⑷補償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)的電勢，以補償熱電偶由于參比溫度變化而引起的漏電事故。如圖，補償電橋串接在熱電偶回路中，與其參比端同為溫度T0，在選定T0的情況下，使r1=r2=r3=rCu=1Ω，電橋平衡無信號輸出當T0變化時，rCu的阻值改變，電橋輸出不平衡電壓。第十四頁，共36頁。4.2.2.熱電阻測溫熱電阻測溫基于導體或半導體的電阻隨溫度而變化的特性。4.2.2.1.金屬熱電阻⑴熱電阻材料a.選擇電阻隨溫度變化呈線性關(guān)系的材料b.有盡可能大的電阻溫度系數(shù)c.有較大電阻率d.物理化學性能穩(wěn)定e.復現(xiàn)性好，復制性強，價格較便宜

第十五頁，共36頁。（2）常用工業(yè)熱電阻Pta.鉑熱電阻：-200℃---850℃適用范圍分度號Pt100,0℃時R(0)=100Ω Pt10,0℃時R(0)=10Ω 電阻溫度基本關(guān)系：(非線性）t>0:R(t)=R0(1+At+Bt2)t<0:R(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3[t-100])其中：A,B,C為常系數(shù)；由基本關(guān)系式可知，R(t)為t的二次方關(guān)系或三次方關(guān)系，由于B,C數(shù)值較小，在小范圍內(nèi)仍可看作線性關(guān)系，高溫時非線性表現(xiàn)突出。工業(yè)上常用查Pt分度表的方法，獲取電阻-溫度對應(yīng)關(guān)系，而非采用公式計算的方法。第十六頁，共36頁。（2）常用工業(yè)熱電阻Cub.銅熱電阻：-40℃——140℃適用范圍分度號Cu100,0℃時R(0)=100Ω Cu50,0℃時R(0)=50Ω 電阻溫度基本關(guān)系：(非線性）R(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3)其中：A,B,C為不同與鉑熱電阻的常系數(shù)。與鉑熱電阻相似的非線性溫度-電阻關(guān)系。特點：主要適合低溫測量，相對靈敏度更高； 構(gòu)成橋路時，在同樣溫度變化范圍內(nèi)輸出更高 的電勢差； 易氧化，不適合高溫測量。第十七頁，共36頁。⑶熱電阻結(jié)構(gòu)

a.普通型熱電阻：感溫元件+絕緣套管+保護管+接線盒 電阻絲——無感繞制：雙線并繞，單端引線。簡單結(jié)構(gòu)，低價格，b.鎧裝熱電阻：鎧裝電纜封裝---保護管+絕緣物+內(nèi)引線外部焊接保護套管連接感溫元件特點：體積小，響應(yīng)快，抗沖擊，易安裝。鎧裝部分均可彎曲，適合復雜場合使用。第十八頁，共36頁。⑷熱電阻引線方式11）簡單結(jié)構(gòu)：二線制方式特點：安裝簡單，適合近距離測量。問題：熱電阻引線電阻r1,r2處于單側(cè)橋臂中，導線長度，環(huán)境溫度變化影響測量準確度。r1和r2的阻值隨長度變化，也隨環(huán)進溫度變化的影響。平衡時（Rt+r1+r2)>R電橋不平衡，U>0初始狀態(tài)輸出電壓不為零，存在零點漂移。第十九頁，共36頁。⑷熱電阻引線方式22）工業(yè)測溫三線制模式特點：r1和r2引線電阻分別接入對稱的兩個橋臂，其阻值變化被基本抵銷，使橋路輸出電壓U隨導線長度變化和環(huán)境溫度變化的影響減到最小。

初始平衡時：Rt+r2=R+r1，初始狀態(tài)輸出電壓為零，U=0

問題：工作狀態(tài)下r1和r2的影響是否相同？為什么?設(shè)：r1=r2=r3=5,R=Rt(0)=100,求：Rt(100)=139時，U=?若：r1=r2=r3=1,U=?請比較兩者差異，說明一個什么道理？第二十頁，共36頁。⑷熱電阻引線方式33）四線制方式Ii為恒流源供電，Io為輸出負載電流，為使引線電阻的影響盡可能的小，應(yīng)有：Io=0要求采用高輸入阻抗的測量儀表測取輸出電壓U,Io接近零，才能實現(xiàn)Ii的恒定性。#適用于高精度的溫度測量，#要求高精度的恒流源。第二十一頁，共36頁。溫度測量習題與思考P664-3，4-5，4-7，思考題1： 若工藝要求測量高溫蒸汽溫度，常用范圍450C——550C，允許正負5C的誤差，需將溫度信號遠傳到控制室。問： 1）選用何種測溫元件為好？ 2）選定測溫元件后，如何實現(xiàn)？分別以熱電偶，熱電阻為例設(shè)計此溫度檢測系統(tǒng)，并作圖說明。思考題2： 熱電阻測溫采用三線制引線方式，設(shè)： t=0C時，Rt=R（橋路電阻）=100Ω； T=100C時，Rt=138.5Ω，其他不變，供電E=5V， 問：1）引線電阻r1=r2=r3=5Ω（或0Ω時），橋路輸出電勢的差異為多大？ 2）說明引線電阻造成的誤差在什么情況下最大？引線電阻的大小對誤差的影響有多大？思考題3： 熱電偶測溫為什么要進行冷端補償？冷端補償電橋采用的是什么原理？第二十二頁，共36頁。4.2.2.2.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，它有正溫度系數(shù)（PTC）、負溫度系數(shù)（NTC）和臨界溫度（CTR）熱敏電阻三種。負溫度系數(shù)熱敏電阻與溫度的關(guān)系：

負溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)為第二十三頁，共36頁。4.2.2.3.熱敏電阻應(yīng)用特點由于材料關(guān)系，熱敏電阻通常工作在室溫附近的較小溫度范圍內(nèi)；溫度系數(shù)較大，比金屬電阻大十幾倍，因此靈敏度高；基礎(chǔ)溫度T（25）以25C為基準，電阻值相對較高，使用方便；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，響應(yīng)快，價格低；互換性，產(chǎn)品的一致性，和穩(wěn)定性不夠理想；相對精度要求不很高的場合應(yīng)用廣泛；負溫度系數(shù)（NTC）的熱電阻應(yīng)用更多一些，但非線性問題突出，需線性化處理。第二十四頁，共36頁。4.2.3.集成溫度傳感器工作原理是利用半導體器件的溫度特性。NPN三極管的結(jié)電壓Ube是溫度的函數(shù)：V3和V4的Ube差值為：電路輸出電流：當R、m一定時，輸出電流與溫度有良好的線性關(guān)系第二十五頁，共36頁。4.2.3.1集成溫度傳感器特點由于制造工藝關(guān)系，可得到高精度的集成溫度傳感器；因為材料為半導體器件，測溫范圍相對較小，也在室溫附近的溫度范圍；集成度較高，體積較小，測溫靈敏；常用作恒流器件，其電流與溫度直接相關(guān)，應(yīng)用電路簡單可靠；AD590（電流型）可采用微電流驅(qū)動，低功耗狀態(tài)下工作，適應(yīng)性更強；DS18B20集成數(shù)字溫度傳感器常用于儀器儀表的溫度補償測溫裝置；多品種，多規(guī)格的產(chǎn)品不斷推出市場。第二十六頁，共36頁。4.3.非接觸式測溫4.3.1.輻射測溫原理4.3.1.1.普朗克定律4.3.1.2.維恩位移定律4.3.1.3.絕對黑體的全輻射定律第二十七頁，共36頁。4.3.2.輻射測溫儀表的基本組成及常用方法輻射測溫儀表主要由光學系統(tǒng)、檢測元件、轉(zhuǎn)換電路和信號處理等部分組成。輻射測溫常用的方法有四種：⑴亮度法，⑵全輻射法，⑶比色法，⑷多色法第二十八頁，共36頁。4.3.3.輻射測溫儀表4.3.3.1.光電高溫計它采用亮度平衡法測溫，通過測量某一波長下物體輻射亮度的變化測知其溫度。4.3.3.2.輻射溫度計它依據(jù)全輻射定律，敏感元件感受物體的全輻射能量來測知物體的溫度。4.3.3.3.比色溫度計它是利用被測對象的兩個不同波長（或波段）光譜輻射亮度之比實現(xiàn)輻射測溫。分單通道和雙通道兩種。第二十九頁，共36頁。比色溫度計原理單通道比色溫度計的原理：由電機帶動的調(diào)制盤以固定頻率旋轉(zhuǎn)，盤上交替鑲嵌的兩種不同的濾光片是被測對象的輻射變成兩束不同波長的輻射，交替地投射到同一檢測元件上，再轉(zhuǎn)換成電信號實現(xiàn)比值求得被測溫度。第三十頁，共36頁。4.3.4.輻射測溫儀表的表觀溫度表觀溫度是指在儀表工作波長范圍內(nèi)，溫度T的輻射體的輻射情況與溫度為TA的黑體的輻射情況相等，則TA就是該輻射體的表觀溫度。4.3.4.1.亮度溫度4.3.4.2.輻射溫度4.3.4.3.比色溫度第三十一頁，共36頁。4.4.光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)而構(gòu)成的新型測溫儀表，它有接觸式和非接觸式等多種形式。特點：靈敏度高，絕緣性好，抗干擾性強，體積小等。4.4.1.液晶光纖溫度傳感器利用液晶的“熱色”效應(yīng)而工作。4.4.2.熒光光纖溫度傳感器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變化的特性測溫。第三十二頁，共36頁。4.4.3.半導體光纖溫度傳感器

是利用半導體的光吸收響應(yīng)隨溫度而變化的特性，根據(jù)透過半導體的光強度變化檢測溫度。如圖所示，溫度變化時半導體的透光率