現(xiàn)代測控技術(shù)

現(xiàn)代測控技術(shù)第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三第三章溫度檢測接觸式測溫2非接觸式測溫33測溫方法及溫標(biāo)31光纖溫度傳感器4第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)測溫原理溫度是國際單位制(SI)7個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)動平均動能大小的標(biāo)志。溫度的定量測量以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)，兩個受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時間的熱交換，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對象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，即可確定被測對象的溫度。第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)溫度測量方式分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。采用接觸式測溫時，溫度敏感元件與被測對象接觸，依靠傳熱和對流進(jìn)行熱交換，二者需要良好的熱接觸，以獲得較高的測量精度。但是它往往會破壞被測對象的熱平衡，存在置入誤差。由于測量環(huán)境特點(diǎn)，對溫度敏感元件的結(jié)構(gòu)和性能要求較高。采用非接觸式測溫方法，溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過熱輻射進(jìn)行熱交換，或者是溫度敏感元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能的大小報(bào)出校測對象的溫度。用這種方法測溫響應(yīng)快，對被測對象干擾小，可測量高溫、運(yùn)動的被測對象和有強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕的場合。第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)溫度檢測方法的分類第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)溫標(biāo)為了客觀地計(jì)量物體的溫度，必須建立一個衡量溫度的標(biāo)尺，簡稱溫標(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。第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)華氏溫標(biāo)tF和攝氏溫標(biāo)tC的換算關(guān)系？第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)國際實(shí)用溫標(biāo)根據(jù)卡諾循環(huán)原理建立的熱力學(xué)溫標(biāo)是一種理想的、科學(xué)的溫標(biāo)，但在實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。世界上實(shí)際通用的溫標(biāo)是國際實(shí)用溫標(biāo)，由其來統(tǒng)一各國之間的溫度計(jì)量，這是一種協(xié)議溫標(biāo)。第一個國際實(shí)用溫標(biāo)自1927年開始采用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對國際實(shí)用溫標(biāo)也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)和修訂，使之更符合熱力學(xué)溫標(biāo)，有更好的復(fù)現(xiàn)性和能夠更方便地使用。目前推行的國際實(shí)用溫標(biāo)定義為1990年國際溫標(biāo)ITS—90。第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)ITS—90國際溫標(biāo)中規(guī)定熱力學(xué)溫度用符號T90表示，單位為開爾文，符號為K。開爾文的大小為水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。同時使用的國際攝氏溫度的符號為t90，單位是攝氏度，符號為℃，每一個攝氏度和每一個開爾文的量值相同。 t90=T90-273.15ITS—90國際溫標(biāo)由三部分組成：定義固定點(diǎn)、內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器、內(nèi)插公式第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.1測溫方法及溫標(biāo)溫標(biāo)的傳遞國際實(shí)用溫標(biāo)系由各國計(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)測溫儀表逐級傳遞，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)同時放入檢定裝置內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測定的溫度為已知，將被校溫度計(jì)的測量值與其相比較，從而確定被校溫度計(jì)的精度。第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫一、熱電偶測溫?zé)犭娕际菧囟葴y量中應(yīng)用最普遍的測溫器件，它的特點(diǎn)是測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業(yè)過程溫度測量的需要；結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好；輸出為電信號，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測和自動控制。第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫?zé)犭娕紲y溫原理熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由兩種電勢組成：溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢，不同的導(dǎo)體具有不同的電子密度，所以它們的溫差電勢也不一樣。接觸電勢是指兩種不同的導(dǎo)體相接觸時，因各自的電子密度不同而產(chǎn)生電子擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動平衡后所形成的電勢，接觸電勢的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫如圖所示，在這個閉合回路中，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端稱測量端或熱端，T0端稱參比端或冷端。測溫時，兩電極焊接在一起形成測量端，置于被測溫度處。而參比端一般要保持恒定溫度，并與測量儀表相接。由于接觸電勢遠(yuǎn)大于溫差電勢，在工程測量中，通常忽略溫差電勢。回路總熱電勢表示為EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫(1)熱電偶產(chǎn)生熱電勢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)和長短無關(guān)。(3)熱電極材料確定以后，熱電勢的大小只與溫度有關(guān)。第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫?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、中間溫度定則第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫1、均質(zhì)導(dǎo)體定則由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面和長度以及其溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。這一定則說明，一種均質(zhì)材料不能構(gòu)成熱電偶。由兩種不同材料組成的熱電偶則要求材質(zhì)的均勻性要好，否則熱電極的溫度分布將會對熱電勢值產(chǎn)生影響。熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫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，對熱電偶回路的總熱電勢值沒有影響。圖示為熱電偶接入中間導(dǎo)體的兩種情況。第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫3、中間溫度定則熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、T0時的熱電勢EAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、TC和TC、T0時的熱電勢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的熱電勢值。第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測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)生的熱電勢值，可以列出對應(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)，它們是熱電偶測溫的依據(jù)。第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫在實(shí)際應(yīng)用中需選擇合適的熱電極材料，對熱電極材料一般有以下要求：在測溫范圍內(nèi)熱電性能穩(wěn)定，不隨時間和被測對象而變化；在測溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕，耐輻射；所組成的熱電偶要有足夠的靈敏度，熱電勢隨溫度的變化牢要足夠大；熱電特性接近單值線性或近似線性；電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)小；機(jī)械性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，材質(zhì)均勻；工藝性好，易加工，復(fù)制性好價(jià)格便宜。第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫常用工業(yè)熱電偶目前國際上已有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)文件對同一型號的標(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，前者為正極，后者為負(fù)極。第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式1、普通型熱電偶2、鎧裝熱電偶第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫?zé)犭娕紖⒈榷藴囟忍幚矸绞?、補(bǔ)償導(dǎo)線法第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫2、參比端溫度測量計(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℃，此時需要測量參比端溫度。進(jìn)行計(jì)算修正后，可查分度表求得T。參比端溫度測量計(jì)算法需要保持參比端溫度恒定。第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫3、參比端恒溫法在實(shí)驗(yàn)室情況及精密測量中，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℃。測得熱電勢后，直接查分度表得知被測溫度。工業(yè)應(yīng)用時，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。第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫4、補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)的電勢，以補(bǔ)償熱電偶由于參比端溫度變化而引起的熱電勢變化。第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫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，輸出信號為4~20mA或0~10mA標(biāo)準(zhǔn)信號，適用于-20~100℃的環(huán)境溫度，精確度可達(dá)±0.2％，配用這種裝置可簡化測溫電路設(shè)計(jì)。DDZⅡ0~10mADDZⅢ4~20mA1~5V第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三練習(xí)題1用鉑銠10-鉑(分度號S)的熱電偶測溫，已知參比端溫度為20℃，測得熱電勢E(t,20)=11.30mV，試求被測溫度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℃第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三練習(xí)題2用鎳鎘-鎳硅(分度號K)的熱電偶測溫，已知參比端溫度為25℃，檢測端溫度為506℃，求產(chǎn)生的熱電勢是多少？E(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.900-1.000=19.900mV第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三在煉鋼廠中有時直接將廉價(jià)熱電極(易耗品，例如鎳鉻-鎳硅熱偶絲，時間稍長即熔化)插入鋼水中測量鋼水溫度，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)如果檢測物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？

第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫二、熱電阻測溫?zé)犭娮铚y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。熱電阻測溫的優(yōu)點(diǎn)是信號可以遠(yuǎn)傳、靈敏度高、無需參比溫度；缺點(diǎn)是需要電源激勵、有自熱現(xiàn)象會影響測量精度。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。第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測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，較小測溫?zé)釕T性。測溫范圍內(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、Cu100第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫工業(yè)熱電阻也有普通型和鎧裝型兩種形式第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫?zé)犭娮璧囊€方式工業(yè)上常用三線制接法，為什么？第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.2接觸式測溫?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、測溫范圍窄在汽車、家電領(lǐng)域得到大量應(yīng)用第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.3非接觸式測溫非接觸式測溫非接觸式測溫方法以輻射測溫為主。具有一定溫度的物體都會向外輻射能量，其輻射強(qiáng)度與物體的溫度有關(guān)，可以通過測量輻射強(qiáng)度來確定物體的溫度。輻射測溫時，輻射感溫元件不與被測介質(zhì)相接觸，不會破壞被測溫度場，可實(shí)現(xiàn)遙測；測量元件不必達(dá)到與被測對象相同的溫度，測量上限可以很高；輻射測溫適用于很寬的測量范圍，可達(dá)-50~6000℃。但是，影響其測量精度的因素較多，應(yīng)用技術(shù)較復(fù)雜。第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.3非接觸式測溫輻射測溫儀表的組成主要由光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件、轉(zhuǎn)換電路和信號處理等部分組成。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元件；檢測元件為光敏或熱敏器件；轉(zhuǎn)換電路和信號處理系統(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，輸出與被測溫度相應(yīng)的信號。第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.3非接觸式測溫常用方法光學(xué)系統(tǒng)和檢測元件對輻射光譜均有選擇性，因此，各種輻射測溫系統(tǒng)一般只接收波長范圍內(nèi)的輻射能。輻射測溫的常用方法有四種：亮度法：按物體的光譜或部分連續(xù)波長輻射亮度推算溫度全輻射法：按物體全波長范圍的輻射亮度推算溫度比色法：按物體兩個波長的光譜輻射亮度之比推算溫度多色法：按物體多個波長的光譜輻射亮度和物體發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律來推算溫度第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.3非接觸式測溫輻射溫度計(jì)400~2000℃比色溫度計(jì)550~3200℃第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.4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光纖溫度傳感器在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3.4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