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先進(jìn)制造與設(shè)備故障診斷詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有108頁\編于星期六\21點(優(yōu)選)先進(jìn)制造與設(shè)備故障診斷當(dāng)前第2頁\共有108頁\編于星期六\21點3溫度監(jiān)測方法分類(測溫方式)接觸式測溫多用于需要連續(xù)監(jiān)測或不可觀察的部位,如軸承的溫度監(jiān)測非接觸式測溫多用于危險部位或不易接近的部位,如高壓電氣接點的溫度監(jiān)測。當(dāng)前第3頁\共有108頁\編于星期六\21點4第一節(jié)接觸式測溫方法
接觸式測溫是將測溫傳感器與被測對象接觸,被測對象與測溫傳感器之間因傳導(dǎo)熱交換而達(dá)到熱平衡,根據(jù)測溫傳感器中的溫度敏感元件的某一物性隨溫度而變化的特性來檢測溫度。目前,在各工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的接觸式測溫方法主要有熱電偶法、熱電阻法和集成溫度傳感器法三種。
當(dāng)前第4頁\共有108頁\編于星期六\21點5
一、熱電偶法測溫
早在19世紀(jì),人們就已經(jīng)開始利用熱電現(xiàn)象進(jìn)行溫度的測量。直至目前,熱電偶仍然是各工業(yè)領(lǐng)域以及科研單位中應(yīng)用最廣泛的一種溫度計。當(dāng)前第5頁\共有108頁\編于星期六\21點61.熱電偶測溫的性能特點①結(jié)構(gòu)簡單,只由兩根偶絲和一個電壓表組成;②感溫元件的質(zhì)量及其熱容量都可以做得很小,因而其時間常數(shù)小,響應(yīng)速度快;
③測量范圍大:利用不同材料做成的多種熱電偶可以測量從4K到3000K的溫度;當(dāng)前第6頁\共有108頁\編于星期六\21點7④準(zhǔn)確度高(在某些情況下可達(dá)±0.01℃)、靈敏度較高(對金屬元件在100μV/℃以下,對半導(dǎo)體元件則為mV/℃級);⑤性能穩(wěn)定,重復(fù)性好,有利于互換;⑥測量電路簡單,便于溫度的讀出以及測溫過程自動化。1.熱電偶測溫的性能特點當(dāng)前第7頁\共有108頁\編于星期六\21點82.熱電偶測溫的基本原理熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)熱電勢=接觸電勢+溫差電勢T>T0→EAB(T,T0)A、B——兩個不同導(dǎo)體當(dāng)前第8頁\共有108頁\編于星期六\21點9(1)接觸電勢(電子濃度不同→自由電子擴(kuò)散)2.熱電偶測溫的基本原理
接觸電勢的大小與溫度的高低及導(dǎo)體中的電子濃度有關(guān),溫度越高,接觸電勢越大;兩種導(dǎo)體的電子濃度比值越大,接觸電勢越大。當(dāng)前第9頁\共有108頁\編于星期六\21點10(2)溫差電勢2.熱電偶測溫的基本原理導(dǎo)體兩端溫度不同→自由電子擴(kuò)散當(dāng)前第10頁\共有108頁\編于星期六\21點11(3)閉合回路熱電勢2.熱電偶測溫的基本原理當(dāng)前第11頁\共有108頁\編于星期六\21點12
閉合回路的塞貝克電勢為溫度的函數(shù),如果將T0固定(即作為參比端、冷端或者補(bǔ)償端),則熱電勢的大小反映了溫度T的變化情況,從而可以通過檢測EAB(T,T0)來對溫度T進(jìn)行測量。2.熱電偶測溫的基本原理(3)閉合回路熱電勢當(dāng)前第12頁\共有108頁\編于星期六\21點13
將熱電特性用于實際溫度的測量,有以下幾條由實驗得出的、有很大實用價值的法則:
(1)馬格納斯法則
由一對各向均勻的導(dǎo)體組成的閉合回路,其熱電勢只與兩個接點的溫度有關(guān),而與沿導(dǎo)體的溫度分布無關(guān)。(用于計算溫差電勢)3.熱電偶測溫的應(yīng)用法則當(dāng)前第13頁\共有108頁\編于星期六\21點14
(2)均質(zhì)導(dǎo)體法則
由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路,不論導(dǎo)體的截面和長度如何,也不論其溫度如何分布,都不可能產(chǎn)生熱電勢。此即說明:兩根材料相同的導(dǎo)體不能構(gòu)成熱電偶!3.熱電偶測溫的應(yīng)用法則當(dāng)前第14頁\共有108頁\編于星期六\21點15
(3)中間導(dǎo)體法則在熱電偶回路中,只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相等,則接入中間導(dǎo)體,不會對熱電偶回路的熱電勢產(chǎn)生影響。特此加以推廣,在由兩導(dǎo)體組成的閉環(huán)回路中還可以引入第四、第五種中間導(dǎo)體。3.熱電偶測溫的應(yīng)用法則當(dāng)前第15頁\共有108頁\編于星期六\21點16
(4)連接導(dǎo)體法則
在熱電偶回路中,如果熱電極A和B分別與連接導(dǎo)線C和D相接,其接點溫度分別為T、T1和T0,則回路的總熱電勢等于各分熱電勢的代數(shù)和,即:3.熱電偶測溫的應(yīng)用法則采用連接導(dǎo)線的熱電偶回路當(dāng)前第16頁\共有108頁\編于星期六\21點17(5)中間溫度法則
在連接導(dǎo)體法則中,當(dāng)A與C、B與D的熱電特性相同時,可將公式改寫3.熱電偶測溫的應(yīng)用法則
在用熱電偶進(jìn)行現(xiàn)場測溫時,常用此法則來修正其參比端的溫度?T待測溫度,T1環(huán)境溫度
T0參考溫度(0℃)當(dāng)前第17頁\共有108頁\編于星期六\21點18
(6)熱電偶的組成法則
用三種不同的導(dǎo)體A、B、C各互相配對組成三個閉合回路,如果熱電極A和B分別與熱電極C組成的閉合回路所產(chǎn)生的熱電勢已知,則由熱電極A和B組成的閉合回路的熱電勢為3.熱電偶測溫的應(yīng)用法則根據(jù)該法則,常將C作為標(biāo)準(zhǔn)電極,它是用純度很高、物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定的材料制成的。當(dāng)前第18頁\共有108頁\編于星期六\21點19要求:
①物理穩(wěn)定性高,長期穩(wěn)定性好;
②化學(xué)穩(wěn)定性好,在高溫下工作不受環(huán)境氣氛的氧化和腐蝕;
③靈敏度高,熱電勢隨溫度的變化率足夠大;
④熱電勢關(guān)于溫度的變化關(guān)系簡單,最好呈線性或簡單的函數(shù)關(guān)系;
⑤復(fù)現(xiàn)性要好,以便于大批量生產(chǎn)和互換;
⑥電阻溫度系數(shù)小,電阻率低;
⑦機(jī)械性能好,材質(zhì)均勻。4.熱電偶材料當(dāng)前第19頁\共有108頁\編于星期六\21點20
(1)賤金屬熱電偶①銅/康銅(Cuprum-Constantan)熱電偶
銅/康銅熱電偶的測溫范圍為-200~350℃。在此范圍內(nèi)它是最為準(zhǔn)確的賤金屬熱電偶,主要是因為能得到高純度而無應(yīng)變的銅。在我國,銅/康銅熱電偶已規(guī)定為有標(biāo)準(zhǔn)化分度的通用熱電偶。4.熱電偶材料常用賤金屬熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線當(dāng)前第20頁\共有108頁\編于星期六\21點21
②鐵/康銅(Ferrum-Constantan)熱電偶
鐵/康銅熱電偶已成為很多國家在工業(yè)上最通用的熱電偶。它價廉、靈敏,并可在氧化或還原性氣氛中應(yīng)用。它比銅/康銅熱電偶更靈敏,量值也大得多,但其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不如銅/康銅熱電偶。因為鐵絲不易得到像銅那樣的高純度和均勻性,很少在0℃以下使用。其測溫上限在氧化性氣氛中可達(dá)750℃;在還原性氣氛中可達(dá)950℃。在上述溫度下,其壽命可達(dá)約1000h。4.熱電偶材料
(1)賤金屬熱電偶常用賤金屬熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線當(dāng)前第21頁\共有108頁\編于星期六\21點22
③鎳鉻/鎳鋁(Chromel-Alumel)這種熱電偶的測溫范圍為-200~1100℃,但在600~1100℃的溫度范圍內(nèi)用得最為廣泛。由于多種原因,該種熱電偶在我國目前多用鎳鉻/鎳硅熱電偶代替,兩者使用同一個分度表。由于鎳硅的抗氧化性強(qiáng),故其使用上限在短時間內(nèi)可達(dá)1300℃。這種熱電偶在我國已規(guī)定為有標(biāo)準(zhǔn)化分度表的通用熱電偶。4.熱電偶材料
(1)賤金屬熱電偶常用賤金屬熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線當(dāng)前第22頁\共有108頁\編于星期六\21點23④鎳鉻/康銅熱電偶這種熱電偶雖不及鎳鉻/鎳鋁熱電偶那樣應(yīng)用廣泛,但在要求高熱電勢(-200℃時可達(dá)25μV/℃)、低導(dǎo)熱性并可允許有高電阻時常用的一種熱電偶。由于氧化限制,其最高工作溫度約為l000℃。這種熱電偶在美國、日本等國用得較多。4.熱電偶材料
(1)賤金屬熱電偶常用賤金屬熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線當(dāng)前第23頁\共有108頁\編于星期六\21點24
⑤鎳鉻/考銅(Chromel-Copel)熱電偶這種熱電偶的特性與前一種相似,只是負(fù)極的成分有些差別,含銅多一點,所以熱電特性也稍高一點。這種熱電偶主要為前蘇聯(lián)使用,在我國,以前也規(guī)定為有標(biāo)準(zhǔn)化分度表的通用熱電偶之一。4.熱電偶材料
(1)賤金屬熱電偶當(dāng)前第24頁\共有108頁\編于星期六\21點25
雖然其熱電勢率(塞貝克系數(shù))一般比賤金屬熱電偶低,但貴金屬熱電偶的準(zhǔn)確度、復(fù)現(xiàn)性以及穩(wěn)定性較好。由于貴金屬是具有化學(xué)惰性的高純材料,可制成高質(zhì)量的熱電偶絲。又由于其熔點很高,故測溫上限也高。貴金屬常用的有鉑銠系和銥銠系兩大類。4.熱電偶材料
(2)貴金屬熱電偶當(dāng)前第25頁\共有108頁\編于星期六\21點264.熱電偶材料
(2)貴金屬熱電偶
①鉑銠系(Pt-Rh)熱電偶
鉑銠系熱電偶的共同特點是耐高溫氧化、性能非常穩(wěn)定,在真空中使用也是可靠的,但在中性氣氛中稍顯不穩(wěn)定。
常用的鉑銠系熱電偶有
Pt10Rh/Pt(鉑10銠/鉑)等。當(dāng)前第26頁\共有108頁\編于星期六\21點274.熱電偶材料
(2)貴金屬熱電偶
①銥銠系(Ir-Rh)熱電偶
銥銠系熱電偶是僅有的能在空氣中比鉑銠系測量溫度更高的熱電偶。在氧化、真空和中性氣氛中,其測溫上限可達(dá)2200℃。但不宜在還原性氣氛中使用。銥銠系熱電偶的主要缺點是使用壽命短。
常用的銥銠系熱電偶有
Ir40Rh/Ir(銥40銠/銥)等。當(dāng)前第27頁\共有108頁\編于星期六\21點28
難熔金屬熱電偶屬賤金屬一類,因其測量上限高,故稱之為難熔金屬熱電偶。最常用的難熔金屬熱電偶有;鎢/錸、鎢/鉬和鎢/銥等幾種。4.熱電偶材料
(3)難熔金屬熱電偶當(dāng)前第28頁\共有108頁\編于星期六\21點29制造非金屬熱電偶主要是由于測量高溫的需要,近年來對非金屬熱電偶的研究工作已取得了一些突破,已能生產(chǎn)石墨/石墨熱電偶、二硅化鎢/二硅化鉬熱電偶、石墨/二硼化鋯熱電偶、石墨/碳化鈦熱電偶和石墨/碳化鈮熱電偶等。非金屬熱電偶測量溫度,其主要優(yōu)點為:
a>熱電勢率較大,可比金屬熱電偶大近百倍;
b>在各種氣氛中,物理和化學(xué)性能都很穩(wěn)定;
c>測溫上限可達(dá)3000℃以上。其主要缺點是:材料的復(fù)現(xiàn)性很差;沒有統(tǒng)一的分度表;不能成批生產(chǎn);機(jī)械強(qiáng)度差。(完)4.熱電偶材料
(4)非金屬熱電偶當(dāng)前第29頁\共有108頁\編于星期六\21點30所謂標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶,是指按國家規(guī)定定型生產(chǎn)的有標(biāo)準(zhǔn)化分度的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶在各個國家不盡相同,但正趨于統(tǒng)一。4.熱電偶材料
(5)標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶當(dāng)前第30頁\共有108頁\編于星期六\21點314.熱電偶材料
(5)標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶當(dāng)前第31頁\共有108頁\編于星期六\21點324.熱電偶材料
(5)標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶分度號與分度表的定義
分度號是用來反映溫度傳感器在測量溫度范圍內(nèi)溫度變化對應(yīng)傳感器電壓或者阻值變化的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列。將該數(shù)列制成表格就是分度表。不同的分度號對應(yīng)著不同的測量范圍。當(dāng)前第32頁\共有108頁\編于星期六\21點334.熱電偶材料
(5)標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶——分度號與分度表的定義當(dāng)前第33頁\共有108頁\編于星期六\21點344.熱電偶材料
(5)標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶——分度號與分度表的定義當(dāng)前第34頁\共有108頁\編于星期六\21點355.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)普通工業(yè)用熱電偶一個完整的熱電偶由感溫元件、保護(hù)管、接線等組成。①感溫元件將兩根不同材料的絲的一端直接焊在一起,形成熱電偶的測量端(熱端)。為避免兩熱電級之間或和保護(hù)管之間短路,還需要絕緣材料。這樣就構(gòu)成了熱電偶的感溫元件。當(dāng)前第35頁\共有108頁\編于星期六\21點365.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)普通工業(yè)用熱電偶②絕緣材料定義:絕緣材料是用來使偶絲之間,以及偶絲與金屬套管之間絕緣的材料。主要目的:為了保證其感溫元件的電氣絕緣性能。如電氣絕緣受到損壞,其測量結(jié)果就不準(zhǔn)確。絕緣材料非陶瓷:天然橡膠、聚乙烯等陶瓷管(絕緣子)當(dāng)前第36頁\共有108頁\編于星期六\21點375.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)普通工業(yè)用熱電偶③保護(hù)管主要目的:為使熱電偶不直接與被測介質(zhì)接觸,以避免腐蝕、玷污和機(jī)械損傷,大多數(shù)熱電偶(特別是工業(yè)用的的感溫元件都要放入一個保護(hù)管中。工業(yè)用熱電偶,當(dāng)溫度在1000℃以下時多用金屬保護(hù)管,1000℃以上時,多用陶瓷管。
當(dāng)前第37頁\共有108頁\編于星期六\21點385.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)普通工業(yè)用熱電偶④接線盒作用:主要供將參比端引出接線用,兼有密封盒保護(hù)接線端子的作用。接線盒有防濺式、防水式、防爆式和插座式等多種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)前第38頁\共有108頁\編于星期六\21點395.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)普通工業(yè)用熱電偶⑤常用結(jié)構(gòu)形式當(dāng)前第39頁\共有108頁\編于星期六\21點405.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(2)鎧裝熱電偶
鎧裝熱電偶是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者組合在一起,并經(jīng)拉伸或旋鍛等而成的組合熱電偶。金屬套管的作用有:使絕緣材料堅實地覆蓋在熱電偶絲的周圍,將熱電偶絲與絕緣氧化物同外界隔絕,致密地保護(hù)熱電偶絲不受有害介質(zhì)侵蝕,并使熱電偶有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)前第40頁\共有108頁\編于星期六\21點415.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)鎧裝熱電偶
①結(jié)構(gòu)a、b、c:為普通型d、e:減小絕緣性的熱慣性和狹小空間安裝當(dāng)前第41頁\共有108頁\編于星期六\21點425.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)鎧裝熱電偶
②性能特點(a)外徑可以拉得很小,最小可到0.2mm,因此,時間常數(shù)小,最小可達(dá)毫秒級,響應(yīng)速度快;(b)由于套管內(nèi)部是填實的,具有良好的機(jī)械性能,能耐強(qiáng)烈的振動和沖擊,適用于具有振動和沖擊的生產(chǎn)設(shè)備上的溫度測量;(c)耐高壓,并在高溫下具有良好的絕緣性,故適用于高壓或高溫或兩者同時作用的工業(yè)生產(chǎn)過程設(shè)備中的溫度測量;(d)壽命長,因為偶絲得到化學(xué)穩(wěn)定性非常好的絕緣材料的牢固覆蓋和氣密性很好的金屬套管的保護(hù),偶絲與促使它加速變質(zhì)的外界環(huán)境隔絕了。此外,若測量端損壞,只要將損壞部分截去并重新焊接后即可再使用;當(dāng)前第42頁\共有108頁\編于星期六\21點435.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)鎧裝熱電偶
②性能特點(e)由于套管薄,并進(jìn)行過退火處理,比較柔軟,具有很好的可撓性,可任意彎曲,便于安裝;(f)可以拉得很細(xì)長,最長可達(dá)幾百米,因此極適合于某些難接近部位的溫度測量;(g)節(jié)省材料,特別是貴金屬,從而降低了成本;(h)可以作為感溫元件放入普通熱電偶保護(hù)管內(nèi)使用,通用性或互換性好。當(dāng)前第43頁\共有108頁\編于星期六\21點445.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)鎧裝熱電偶普通鎧裝熱電偶的外徑分為八種尺寸規(guī)格。當(dāng)前第44頁\共有108頁\編于星期六\21點455.熱電偶的結(jié)構(gòu)
(1)鎧裝熱電偶
③材料(熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管)熱電偶絲:通常還是選用定型產(chǎn)品,我國目前生產(chǎn)的有Pt10Rh/Pt(鉑10銠/鉑)和鎳鉻/康銅等。絕緣材料:約有95%以上是采用氧化鎂作為絕緣材料,這是因為它能比較全面地適應(yīng)熱電偶絲材料和金屬套管材料,同時來源比較方便,價格較為低廉。金屬套管:在選擇金屬套管時應(yīng)考慮使用溫度、被測介質(zhì)以及加工性能。1Cr18NiTi是目前我國生產(chǎn)的鎧裝熱電偶材料中用得最多的一種。當(dāng)前第45頁\共有108頁\編于星期六\21點461.熱電阻法測溫的簡單原理
幾乎所有導(dǎo)體的電阻都會隨著溫度的變而變化,熱電阻法測溫就是利用導(dǎo)體的這種特性來進(jìn)行的。
二、熱電阻法測溫當(dāng)前第46頁\共有108頁\編于星期六\21點472.熱電阻法測溫的特點(1)測溫范圍寬:可測從-272.16~1100℃范圍內(nèi)的溫度;
(2)測溫精度高:一般為千分之幾或±2℃左右;
(3)靈敏度高,響應(yīng)速度快:由于可把熱電阻做成體積很小,因而其熱慣性很?。喉憫?yīng)速度最快可達(dá)0.1s,甚至更高,這一點對于溫度的測控非常重要;當(dāng)前第47頁\共有108頁\編于星期六\21點48(4)性能穩(wěn)定:由于熱電阻一般都是純度很高的金屬制成,其物理和化學(xué)穩(wěn)定性良好,因而制出的熱電阻復(fù)現(xiàn)性較好,便于互換;
(5)不適于點溫的測量:由于熱電阻的阻值隨溫度的改變與整個感溫元件有關(guān),盡管現(xiàn)代工藝可將熱電阻做成很小,但其感溫元件總是要占據(jù)一定的空間,因此,熱電阻所測量的是某一空間的平均溫度,這一點與熱電偶法測溫不同。當(dāng)前第48頁\共有108頁\編于星期六\21點49前已述及,幾乎所有的導(dǎo)體的阻值都會隨著溫度的改變而發(fā)生變化,但可用作溫度測量的熱電阻材料卻是有限的,這主要是受導(dǎo)體的溫度特性以及機(jī)械加工性能兩方面的限制。一般而言,對用作熱電阻的材料有以下幾方面的要求:3.熱電阻材料當(dāng)前第49頁\共有108頁\編于星期六\21點50(1)較高的電阻溫度系數(shù)3.熱電阻材料因為材料的電阻溫度系數(shù)越大,熱電阻的相對靈敏度就越高。即當(dāng)被測量的溫度有同樣大小的微小變化時,它能引起熱電阻阻值較大的變化,從而便于測取。當(dāng)前第50頁\共有108頁\編于星期六\21點51電阻溫度系數(shù)的定義
電阻溫度系數(shù)的大小取決于材料的種類及其純度,對于同種金屬材料,純度越高,則α越大。由于一般電阻與溫度的關(guān)系是非線性的,所以多用R100/R0代表0~100℃之間的平均溫度系數(shù)。或當(dāng)前第51頁\共有108頁\編于星期六\21點52(2)較大的電阻率3.熱電阻材料(3)較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性能(4)電阻溫度特性好(5)復(fù)現(xiàn)性好(6)價格便宜當(dāng)前第52頁\共有108頁\編于星期六\21點534.熱電阻的種類(1)工業(yè)熱電阻(2)鎧裝熱電阻(3)標(biāo)準(zhǔn)熱電阻(4)半導(dǎo)體熱電阻當(dāng)前第53頁\共有108頁\編于星期六\21點544.熱電阻的種類(1)工業(yè)熱電阻工業(yè)熱電阻是指廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域且測溫精度相對較低的一類熱電阻。當(dāng)前第54頁\共有108頁\編于星期六\21點55①銅熱電阻式中R0——0℃時的電阻值;
A、B、C——常數(shù),對于我國標(biāo)準(zhǔn)化的銅熱電阻分別為:4.28899×10-3/℃、-2.133×10-7/℃2
、
1.233×10-9/℃3
。4.熱電阻的種類(1)工業(yè)熱電阻當(dāng)前第55頁\共有108頁\編于星期六\21點56②鉑熱電阻在-200~0℃之間在0~850℃之間式中R0——0℃時的電阻值;
A、B、C分別為:
3.90802×10-3/℃、-5.802×10-7/℃2
、-4.2735×10-12/℃3
。4.熱電阻的種類(1)工業(yè)熱電阻當(dāng)前第56頁\共有108頁\編于星期六\21點574.熱電阻的種類(2)鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻是由熱電阻絲、絕緣材料和金屬套管三者組合在一起,并經(jīng)拉伸或旋鍛等而成的組合熱電阻。當(dāng)前第57頁\共有108頁\編于星期六\21點584.熱電阻的種類(2)鎧裝熱電阻與普通裝配式熱電阻相比,主要優(yōu)點為:①外徑尺寸小,最小可達(dá)1mm,因此其體積小,熱慣性小,響應(yīng)速度快;②具有良好的抗振動和抗沖擊性能;③具有良好的彎曲性能;④使用壽命長。當(dāng)前第58頁\共有108頁\編于星期六\21點594.熱電阻的種類(2)鎧裝熱電阻引出線通常為兩線制和三線制,特殊情況下也有四線制的,引出線材料一般為銅或銀,三線制也可采用鎳導(dǎo)線。絕緣材料通常為氧化鎂。兩線制:是指現(xiàn)場傳感器與控制系統(tǒng)的聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線,這兩根線既是電源線,又是信號線。在信號傳輸?shù)木嚯x長和防爆等場合,就最好用無源的兩線制傳感器。在熱電阻中,兩線制沒有線路電阻補(bǔ)償,配線簡單,但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用制造A級精度的熱電阻,且在使用時引線及導(dǎo)線都不宜過長。當(dāng)前第59頁\共有108頁\編于星期六\21點604.熱電阻的種類(2)鎧裝熱電阻
三線制:一根正電源線,兩根信號線,其中一根共GND。三線制有線路電阻補(bǔ)償,可以消除引線電阻的影響,測量精度高于2線制。作為過程檢測元件,其應(yīng)用最廣。
四線制:通常用于功率大的系統(tǒng)。兩根正負(fù)電源線,兩根信號線。在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制,其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I,把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U,再通過另兩根引線把U引至PLC。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響,但成本較高,主要用于高精度的溫度檢測。當(dāng)前第60頁\共有108頁\編于星期六\21點614.熱電阻的種類(3)標(biāo)準(zhǔn)熱電阻
由于鉑的穩(wěn)定性好,又可得到非常純的鉑絲,故目前均采用鉑熱電阻作標(biāo)準(zhǔn)熱電阻,其R0的復(fù)現(xiàn)性好,是測溫儀表中精確度最高的一種,主要用于實驗室的精密測溫和校驗。當(dāng)前第61頁\共有108頁\編于星期六\21點62
(4)半導(dǎo)體熱敏電阻
①原理
金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而增加,即金屬導(dǎo)體具有正的溫度系數(shù)。而半導(dǎo)體則不同,有些半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而降低,具有負(fù)的溫度系數(shù),我們就是利用半導(dǎo)體材料的這一特性來測溫的。4.熱電阻的種類當(dāng)前第62頁\共有108頁\編于星期六\21點63②半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度特性(經(jīng)驗公式來描述)式中RT——溫度為T時的電阻值,Ω;
R0——溫度為T0時的電阻值,Ω;
B——取決于熱敏電阻材料和結(jié)構(gòu)的常數(shù),常用半導(dǎo)體熱敏電阻的B值約在1500~5000K之間。由此可推斷出熱敏電阻的溫度系數(shù)當(dāng)前第63頁\共有108頁\編于星期六\21點64③半導(dǎo)體熱敏電阻的性能持點
半導(dǎo)體熱敏電阻常用于測量-100~300℃范圍內(nèi)的溫度,與金屬熱電阻相比,半導(dǎo)體熱敏電阻的性能特點如下:
(a)靈敏度高,電阻溫度系數(shù)約為-(3~6)%;
(b)電阻率ρ很大,即使體積很小,其電阻值也很大,因此連接導(dǎo)線的電阻變化可略而不計;
(c)結(jié)構(gòu)簡單,體積小,響應(yīng)速度快;
(d)互換性差,穩(wěn)定性差和測溫精度較低,從而限制了其應(yīng)用范圍,常用于實驗室的恒溫設(shè)備和儀器儀表的恒溫部件。當(dāng)前第64頁\共有108頁\編于星期六\21點65
(4)半導(dǎo)體熱敏電阻④材料半導(dǎo)體熱敏電阻通常用鐵、鎳、錳、鈷、銅、鈦、鎂、銅等金屬的氧化物作原料,也有用它們的碳酸鹽、硝酸鹽和氯化物等作原料的。將這些原料精制后,混合并加入有機(jī)粘合劑,再經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)而成。4.熱電阻的種類當(dāng)前第65頁\共有108頁\編于星期六\21點66
(4)半導(dǎo)體熱敏電阻⑤結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體熱敏電阻可根據(jù)實際需要做成片狀、棒狀和珠狀。4.熱電阻的種類當(dāng)前第66頁\共有108頁\編于星期六\21點67
(1)性能特點集成溫度傳感器是新近研制成功的,由于它具有測溫精度較高、互換性好、體積小、使用方便、可靠性高、成本低廉等性能特點而獲得廣泛的應(yīng)用,是機(jī)械故障診斷領(lǐng)域最為常用的一種溫度傳感器。三.集成溫度傳感器當(dāng)前第67頁\共有108頁\編于星期六\21點68
(2)典型代表將集成溫度傳感器應(yīng)用于溫度測量時,不必對其內(nèi)部工作原理進(jìn)行過多的考慮,只要根據(jù)實際測溫范圍和測溫精度的要求,選用合適的型號即可。三.集成溫度傳感器當(dāng)前第68頁\共有108頁\編于星期六\21點69第二節(jié)非接觸式測溫特殊溫度診斷場合高壓輸電線接點處煉鋼高爐熱軋鋼板等運動物體非接觸式測溫方法產(chǎn)生于19世紀(jì)末20世紀(jì)60年代以后得到了較快發(fā)展電子技術(shù)紅外技術(shù)概述當(dāng)前第69頁\共有108頁\編于星期六\21點第二節(jié)非接觸式測溫可以測量運動物體的溫度不會破壞被測對象的溫度場只能測物體表面的溫度物體熱輻射非接觸式測溫又稱輻射測溫
非接觸式測溫的特點
當(dāng)前第70頁\共有108頁\編于星期六\21點71第二節(jié)非接觸式測溫一、輻射測溫的基本原理物體受熱使物體內(nèi)的原子或分子因獲得能量而從低能級躍遷到高能級,當(dāng)它們向下躍遷時,就可能發(fā)射出輻射能,這類輻射稱之為熱輻射。熱輻射也是一種電磁波。溫度不同,物體的輻射能也不同。輻射溫度計就是利用物體的輻射能量隨溫度的變化而變化的原理制作而成的。當(dāng)前第71頁\共有108頁\編于星期六\21點721.輻射的基本概念如圖所示,由于物體的性質(zhì)不同,入射到物體表面的總輻射能Q0將有三個不同的去處;其中一部分(Qρ)被物體表面反射回去,另有一部分(Qα)被物體吸收,而剩余部分(Qτ)則穿過物體透射出去。輻射能的分配當(dāng)前第72頁\共有108頁\編于星期六\21點731.輻射的基本概念當(dāng)前第73頁\共有108頁\編于星期六\21點74當(dāng)α=1,而ρ=τ=0時,說明入射到物體上的輻射能全部被吸收,這樣的物體稱為“絕對黑體”,簡稱為“黑體”;當(dāng)ρ=1,而α=τ=0時,說明入射到物體上的輻射能全部被反射,若反射是有規(guī)律的,則稱此物體為“鏡體”;若反射沒有規(guī)律,則稱此物體為“絕對白體”;當(dāng)τ=1,而ρ=α=0時,說明入射到物體表面上的輻射能全部被透射出去,具有這種性質(zhì)的物體稱為“絕對透明體”。1.輻射的基本概念當(dāng)前第74頁\共有108頁\編于星期六\21點75應(yīng)該指出的是,自然界中,絕對黑體、絕對白體或絕對透明體都是不存在的,上述概念是為研究問題的方便而提出的。反射率、吸收率和透射率的大小取決于物體本身的性質(zhì)和表面狀況,以及入射光譜的波長和物體的溫度等因素。1.輻射的基本概念當(dāng)前第75頁\共有108頁\編于星期六\21點762.黑體輻射定律
(1)普朗克定律(單色輻射定律)——黑體輻射的普遍定律普朗克(MaxPlank)推導(dǎo)出了與實驗結(jié)果完全相符的黑體輻射公式,即單位面積黑體在半球面方向發(fā)射的光譜輻射強(qiáng)度為波長和溫度的函數(shù):當(dāng)前第76頁\共有108頁\編于星期六\21點77(2)維恩公式在普朗克公式(6-15)中,當(dāng)λT的值較小時,即,此時,式(6-15)可由如下的維恩公式來代替:
(3)瑞利-金斯公式當(dāng)λT較大(λT≧72cm.K)時,普朗克公式可用如下的瑞利-金斯公式代替:(6-15)當(dāng)前第77頁\共有108頁\編于星期六\21點78(4)維恩位移定律根據(jù)式(6-15)可以描出如圖6-22所示的黑體輻射光譜關(guān)于波長的分布特性圖。由此可以看出,黑體光譜輻射強(qiáng)度關(guān)于波長不是均勻分布的,而是有一個極值,與此極值對應(yīng)的波長稱為峰值波長,記為λm。峰值波長λm可如下求得:(6-15)此即維恩位移定律。當(dāng)前第78頁\共有108頁\編于星期六\21點79結(jié)論:a、對于每一種溫度,都有一條輻射曲線與之對應(yīng);b、輻射曲線單一、平滑,具有單一峰值(該處輻射強(qiáng)度最大);c、當(dāng)溫度升高是,輻射曲線的峰值向波長較短的方向移動;d、當(dāng)溫度升高時,輻射幅度按照指數(shù)規(guī)律增長;e、曲線最高點左側(cè)(短波段)輻射能量約占25%,右側(cè)長波段輻射能量約占75%;f、每條曲線下的面積,等于全輻射定律所表示的輻射強(qiáng)度值。當(dāng)前第79頁\共有108頁\編于星期六\21點80(5)斯忒藩-玻耳茲曼定律(全輻射定律)普朗克公式給出的是溫度為T的絕對黑體的輻射強(qiáng)度關(guān)于波長的分布情況,即單色輻射定律,而斯忒藩-玻耳茲曼定律則描述了絕對黑體的輻射能沿波長從零到無窮大的總和,即全輻射,用公式表示為(6)基爾霍夫定律基爾霍夫研究發(fā)現(xiàn),在任一溫度下任何物體的發(fā)射率在數(shù)值上都等于其吸收率,即:當(dāng)前第80頁\共有108頁\編于星期六\21點813.灰體輻射所謂灰體,是指其發(fā)射率ε恒小于1且不隨波長而改變的一類物體。對于灰體,上述輻射定律仍然適用,只是要考慮其發(fā)射率的影響而已。普朗克定律維恩定律斯忒藩-玻耳茲曼定律當(dāng)前第81頁\共有108頁\編于星期六\21點82二、輻射溫度計工作原理檢測波段的不同輻射溫度計單色輻射溫度計輻射溫度計比色溫度計當(dāng)前第82頁\共有108頁\編于星期六\21點83(一)單色輻射溫度計(亮溫儀)1.亮溫法的基本原理
單色輻射溫度計是以測量單色波長的輻射能來實現(xiàn)溫度測量的一類輻射溫度計。由于其對輻射能的檢測是基于對物體輻射亮度的檢測而實現(xiàn)的,因此,這類檢測方法常稱為亮溫法,單色輻射溫度計也因此而稱之為亮溫儀。在具體實現(xiàn)上,亮溫儀是用亮度平衡的原理來實現(xiàn)測溫的儀表。
當(dāng)前第83頁\共有108頁\編于星期六\21點84
物體發(fā)出的亮度與物體的輻射強(qiáng)度成正比,由此可得當(dāng)物體溫度為T時,波長為λ的單色輻射亮度為:當(dāng)波長λ一定時,物體的輻射亮度只隨物體的溫度T而改變,從而可通過檢測物體的輻射亮度來達(dá)到檢測物體的溫度的目的。當(dāng)前第84頁\共有108頁\編于星期六\21點852.常用亮溫儀根據(jù)亮度平衡具體實現(xiàn)方法的不同,亮溫儀又可分為光學(xué)高溫計和光電高溫計等類型。
(1)光學(xué)高溫計——原理一物體在高溫下會發(fā)光,也就具有一定的亮度,物體的亮度與其輻射強(qiáng)度成正比,所以受熱物體的亮度大小反映了物體的溫度。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。光學(xué)高溫計是利用受熱物體的單色輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增加的原理制成的,由于采用單一波長進(jìn)行亮度比較,因而也稱單色輻射溫度計。當(dāng)前第85頁\共有108頁\編于星期六\21點862.常用亮溫儀根據(jù)亮度平衡具體實現(xiàn)方法的不同,亮溫儀又可分為光學(xué)高溫計和光電高溫計等類型。
(1)光學(xué)高溫計-原理二吸收玻璃的作用:擴(kuò)展儀表量程。紅色濾光片的作用:減弱或濾除可見光的干擾。當(dāng)前第86頁\共有108頁\編于星期六\21點872.常用亮溫儀
(1)光學(xué)高溫計-發(fā)展
特點:光學(xué)高溫計是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的非接觸式溫度計之一。它結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,測溫范圍廣(700-C-3200-C),一般可滿足冶金、陶瓷等工業(yè)部門測溫的準(zhǔn)確度要求。
缺點:是以人眼觀察,并需用手動平衡,因此不能實現(xiàn)快速測量和自動記錄,且測量結(jié)果帶有主觀性。
發(fā)展趨勢:最近,由于光電探測器、干涉濾光片及單色器的發(fā)展,使光學(xué)高溫計在工業(yè)測量中的地位逐漸下降,正在被較靈敏、準(zhǔn)確的光電高溫計所代替。當(dāng)前第87頁\共有108頁\編于星期六\21點88當(dāng)前第88頁\共有108頁\編于星期六\21點89(2)單色光電高溫計用光電元件代替人眼進(jìn)行亮度平衡的單色高溫計,能實現(xiàn)自動測量。其中,利用硅光電池作為檢測元件進(jìn)行亮度測量的輻射溫度計稱為硅單色高溫計。當(dāng)前第89頁\共有108頁\編于星期六\21點90(二)輻射溫度計
輻射溫度計是通過檢測被測物體入射到探測元件上的輻射能來實現(xiàn)溫度測量的。根據(jù)其檢測波段范圍的不同,又可將輻射溫度計分為全輻射溫度計和部分輻射溫度計兩大類。1.輻射溫度計的基本原理由斯忒藩-玻耳茲曼定律可知,溫度為T的絕對黑體所輻射出來的總能量與T的四次方成正比,即:當(dāng)前第90頁\共有108頁\編于星期六\21點91當(dāng)考慮物體的發(fā)射率的影響時,上式變?yōu)椋杭礄z測元件所接收到的是物體沿整個波長范圍(0~∞)內(nèi)的總輻射能,因而稱這種類型的輻射溫度計為全輻射溫度計。與全輻射溫度計相對應(yīng),當(dāng)探測元件只接收物體所輻射出的某一個波段內(nèi)的輻射能量時,即:則稱這種類型的溫度計為部分輻射溫度計。當(dāng)前第91頁\共有108頁\編于星期六\21點92輻射溫度計的工作原理如圖6-27所示。2.輻射溫度計的光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)前第92頁\共有108頁\編于星期六\21點933.檢測元件檢測元件即感受物體輻射能的器件,是輻射溫度計的核心部分,其性能的高低將直接影響到輻射溫度計的精度和穩(wěn)定性等。根據(jù)其作用原理的不同,常將檢測元件分為光電型和熱電型兩大類。(1)光電型檢測元件作用原理:是當(dāng)光照射到元件上后,檢測元件材料中的電子吸收了輻射能而改變其運動狀態(tài),從而表現(xiàn)出光電效應(yīng),即為光生電元件。性能特點:響應(yīng)速度快;對光譜波長有選擇性。當(dāng)前第93頁\共有108頁\編于星期六\21點943.檢測元件(2)熱電型檢測元件
作用原理:熱電型檢測元件是利用其電特性因受熱溫度上升而改變的原理來進(jìn)行工作的。
性能特點:對波長無選擇性;由于元件的熱慣性而使其響應(yīng)速度較慢。常用的熱電型檢測元件:熱敏電阻、熱電堆和熱釋電元件三大類。
當(dāng)前第94頁\共有108頁\編于星期六\21點954.濾光片在輻射溫度計中,常常為了選取或避開某一波段而加入一片或多片濾光片,按其材料的不同,濾光片大體上可分為玻璃濾光片、干涉濾光片和硅或鍺濾光片三大類。當(dāng)前第95頁\共有108頁\編于星期六\21點965.輻射溫度計的常見類型(1)輻射感溫器輻射感溫器是一種常用的溫度計,它用熱電堆作為輻射檢測元件,具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格便宜等諸多優(yōu)點。(2)高溫輻射溫度計高溫輻射溫度計的顯著特點在于其結(jié)構(gòu)比較簡單,沒有瞄準(zhǔn)目鏡(可以加裝),由于采用硅光電池作檢測元件,故在700~2000℃的測
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