第10章 測溫.ppt

1、1,第十章 溫度測量,2,10.1 概述,一、溫度的基本概念和測量方法 宏觀概念-是物體冷熱程度的表示. 熱平衡的兩物體，其溫度相等。 微觀概念-是大量分子運動平均強度的表示。 分子運動愈激烈其溫度表現越高。,3,一、溫度的基本概念和測量方法,溫度量的特殊性: 1. 二溫度不能相加或相減； 2. 無標準量直接進行比較測量； 3. 溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。,4,用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。 它規(guī)定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。 目前國際上用的較多的溫標有經驗溫標(華氏溫標、攝氏溫標等)、熱力學溫標。,二、 溫標,5,二、 溫標,1.經驗溫標 以物體熱

2、脹冷縮現象為基礎。 認為選定的測溫物質體積的變化與溫度成線性關系。 把在兩溫度點之間體積的總變化分為若干等分，每個等分定義為1度。 按這個原則建立的有攝氏溫標、華氏溫標 。,6,攝氏溫標：標準儀器是水銀玻璃溫度計。規(guī)定在標準大氣壓下，水的冰點為0度，沸點為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應每份的溫度定義為1攝氏度，單位為“oC”； 華氏溫標：標準儀器是水銀溫度計，按照華氏溫標，水的冰點為32oF，沸點是212oF。分成180等份，對應每份的溫度為1華氏度，單位為“oF”。攝氏溫度和華氏溫度的關系為：,7,2.熱力學溫標,熱力學溫標又稱開爾文溫標，或稱絕對溫標。 分子運動停止時的溫度為

3、絕對零度； 熱力學溫標（符號為T）它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16。 相當攝氏溫標0，華氏溫標32的開氏溫標為273.15K。,8,三、測溫方法與測溫儀器的分類,溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。 1. 接觸式測溫 測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數的量值就代表了被測對象的溫度值。 優(yōu)點：直觀可靠。 缺點: 感溫元件影響被測溫度場的分布； 接觸不良等帶來測量誤差； 高溫和腐蝕性介質影響感溫元件的性能和壽命。,9,2、非接觸式測溫 感溫元件不與被測對象相接觸，而通過熱輻射進行熱交換； 具有較高的

4、測溫上限； 熱慣性小，可達千分之一秒，故便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。,10,3、測溫儀器,接觸式測溫儀器 膨脹式溫度計（包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計）：利用物體熱脹冷縮原理 電阻式溫度計（包括金屬熱電阻溫度計和半導體熱敏電阻溫度計）：利用電阻隨溫度變化的特性 熱電式溫度計（包括熱電偶和P-N結溫度計以及其它原理的溫度計）：利用熱電效應 非接觸式溫度計 可分為輻射溫度計、亮度溫度計和比色溫度計，由于它們都是以熱輻射為基礎，故也統(tǒng)稱為輻射溫度計。,11,10.2 膨脹式溫度計,1. 液體膨脹式溫度計 由液體儲存器、毛細管和標尺組成。 測溫上限取決于所用液體汽化點的溫度，下限

5、受液體凝點溫度的限制。 為防止毛細管中液柱出現斷續(xù)現象，并提高測溫液體的沸點，常在毛細管中液體上部充以一定壓力的氣體。,12,13,液體玻璃溫度計分全浸式和部分浸入式兩種。 全浸：測溫時把液柱部分全部浸入被測介質中。 部分浸入：把溫度計部分插入被測介質中。 全浸式測量精度較高，故多用于實驗室和標準溫度計，部分浸入式用于一般工業(yè)測溫。,修正值計算：,14,2、固體膨脹式溫度計 利用兩種材料的膨脹系數不同的原理制成，分為桿式和雙金屬式兩大類。 范圍：-30600oC； 精度：0.5-1.0級,15,16,雙金屬片溫度計 雙金屬片溫度計是由膨脹系數不同的兩種金屬片牢固結合在一起而制成，一端固定，另一

6、端為自由端。 當溫度變化時，由于兩種材料的膨脹系數不同而使雙金屬片的曲率發(fā)生變化，自由端產生位移，經傳動放大機構帶動指針指示溫度值。 為了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同的形狀。,17,18,10.3 熱電偶溫度計,熱電偶是當前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應。 （一）熱電效應及基本定律 兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成閉合回路，當兩個接觸點（稱為結點）溫度t和t0不同時，回路中即產生電勢，并有電流流通，這種把熱能轉換成電能的現象稱為熱電效應。,19,稱回路電勢為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個結點中與被測介質接觸的一個稱為測量端或工作

7、端、熱端，另一個稱為參考端或自由端、冷端。 (切記 兩線 兩端 ),20,熱電勢的組成,兩根異質材料的接觸電勢 導線兩端的溫差電勢,21,（1）兩種導體的接觸電動勢,兩種導體A、B接觸時，由于導體內的自由電子密度不同，如果NANB，電子密度大的導體A中的電子就向電子密度小的導體B擴散，導體A失去電子而具有正電位，導體B由于接收了電子而具有負電位。這樣在擴散達到動態(tài)平衡時A、B之間就形成了一個電位差。這個電位差稱為接觸電動勢。,22,EAB(T)- A、B兩種材料在溫度為T時的接觸電動勢； K- 玻耳茲曼常數（1.3810-23J/K）； e為電子電荷（1.602189210-19C）； NA(

8、T)、NB(T)為A、B兩種材料在溫度T時的自由電子密度。,23,回路中總的接觸電勢為：,24,（2）單一導體中的溫差電動勢 對單一金屬導體，兩端溫度不同，兩端的自由電子就具有不同的動能。溫度高則動能大，動能大的自由電子就會向溫度低的一端擴散。失去了電子的這一端就處于正電位，而低溫端由于得到電子處于負電位。這樣兩端就形成了電位差，稱為溫差電動勢。,25,在整個閉合回路中產生的總電動勢EAB(T,T0)可表示為:,對于由A、B兩種導體構成的閉合回路，在A、B兩導體上產生的溫差電動勢之和為：,26,熱電偶總電動勢與電子密度NA、NB及兩節(jié)點溫度T、T0有關，電子密度取決于熱電偶材料的特性。當熱電偶

9、材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB(T，T0)成為溫度T和To的函數差，即,如果T0固定，則：,27,(二) 熱電偶基本定律,（1）均質導體定律 由均質材料構成的熱電偶，熱電動勢的大小只與材料及結點溫度有關。與熱電偶的尺寸大小、形狀及沿電極溫度分布無關。如材料不均勻，由于溫度梯度的存在，將會有附加電動勢產生。,28,（2）中間導體定律 將A、B構成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導體C，只要保持第三導體兩端溫度相同，接入導體C后對回路總電動勢無影響。,29,（3）連接導體定律,在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別與連接導線A、B相連接，結點溫度分別為T、Tn、T0 ，那么回路的熱電勢將等于熱電

10、偶的熱電勢EAB(T,Tn ) 與連接導線A、B在溫度Tn、T0 時熱電勢 EAB(T,Tn ) 的代數和，即 ：,EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),30,如A與A、B與B材料相同，且結點溫度分別為T、Tn、T0時，有： 熱電偶在結點溫度為T、T0時的熱電勢值EAB(T,T0 )，等于熱電偶在(T,Tn ) 、 (Tn,T0 ) 時相應的熱電勢EAB(T,Tn )與 EAB(Tn,T0 ) 的代數和。如下式所示：,EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),（3）連接導體定律,連接導體定律是工業(yè)上運用補償導線進行溫度測量的理論基礎。

11、,31,（4）中間溫度定律,在熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電動勢，等于該熱電偶在接點溫度為T、Ta和Ta、T0時熱電動勢的代數和，即,已知參比端為0oC時的熱電勢和溫度的關系，則兩端點在任意溫度時的熱電勢為：,32,（5）標準電極定律,兩種導體A、B分別與第三種導體C組成熱電偶，如果A、C和B、C熱電偶的熱電動勢已知、那么這兩種導體A、B組成的熱電偶產生的電動勢可由下式求得,33,(四) 熱電偶的參比端處理,為使熱電偶的熱電動勢與被測量間呈單值函數關系，熱電偶的參比端溫度必須固定。 熱電偶的溫度熱電動勢關系以及分度表是在參比端為0C得到的?？刹捎靡韵路椒ㄌ幚怼?(1) 0C恒溫法

12、將冰水混合物放置在保溫容器中，使熱電偶的參比端保持在穩(wěn)定的0C環(huán)境。,34,（2）參比端溫度修正法,當熱電偶參比端為不等于0 C時，需對儀表的示值加以修正。修正公式： ( 中間溫度定律),35,(3）電橋補償法,36,（4）補償導線的應用,補償導線就是用熱電性質與熱電偶相近的材料制成導線，用它將熱電偶的參比端延長到需要的地方，而且不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差； 國際電工委員會也制定了補償導線國際標準，適合于標準化熱電偶使用。,37,38,10.4 電阻溫度計,利用導體和半導體的電阻隨溫度變化這一性質做成的溫度計稱為電阻溫度計。 大多數金屬在溫度升高1C 時電阻將增加0.40.6。

13、 半導體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高1 C ，電阻約減小26。 目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳。,39,(一) 鉑電阻溫度計,鉑是一種貴金屬。它的特點是精度高，性能穩(wěn)定性，耐氧化性能很強。鉑在1200C以下都能保證上述特性。 鉑很容易提純，復現性好，可制成很細的鉑絲（0.02mm或更細）或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此普遍認為是一種較好的熱電阻材料。 缺點：鉑電阻的電阻溫度系數比較??； 價格貴,40,在0C 以上，其電阻與溫度的關系接近于直線，其電阻溫度系數A為3.8510-3/C 。 按IEC標淮，使用溫度已擴大到-200850 C，

14、初始電阻有100和10兩種。,41,(二) 銅電阻溫度計,在測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。 它可用來測量-50+150C的溫度，在這溫度范圍內，銅電阻和溫度呈線性關系：,42,銅電阻的缺點是電阻率小。 制成相同阻值的電阻時，銅電阻絲要細，這樣機械強度就不高，或者就要長，使體積增大。 銅很容易氧化，所以它的工作上限為150 C 。但銅電阻價格便宜，因此仍被廣泛采用。 初始電阻有100和50兩種。,43,材料：,特點：,分類：,（1）溫度系數大 靈敏度高 （為熱電阻10-100倍）,（2）結構簡單，體積小 可以測量點溫度,（3）電阻率高、熱慣性小 適于動態(tài)測溫,（4）易于維護

15、、使用壽命長 適于現場測溫,（5）互換性差，非線性嚴重，精度低,正溫度系數熱敏電阻(PTC),負溫度系數熱敏電阻(NTC),臨界溫度系數熱敏電阻(CTR),半導體 - 半導體熱電阻,（6）成本低，應用廣泛,非線性,(三) 半導體熱敏電阻,44,(四) 熱電阻測量電路,熱電阻把溫度量轉換成電阻量，測量電阻通?？衫脷W姆表或電橋。,w平衡電橋法 如果電阻R1=R2，當熱電阻Rt阻值隨溫度變化時，調節(jié)電位器Rw的電刷位置x，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有,L、R0電位器有效長度和總電阻 x電刷位置,45,(五) 電阻溫度計的測溫誤差,熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差包括： 熱電阻的基本誤差 指示儀表的誤差 電阻體自熱

16、誤差 引線電阻誤差,46,電阻溫度計的測溫誤差之一,自熱誤差 由流過電阻體的電流引起 電流 ，輸出信號 ，自熱誤差 一般工業(yè)熱電阻工作電流被限制在6mA以內，這樣自熱溫差就不會超過0.1C。,47,引線電阻誤差 電路中兩根連線的電阻隨環(huán)境溫度變化時，全部變化量都加在同一橋臂上，帶來連線誤差。 為了減小該項誤差，一般采用三線連接法，將熱電阻的兩根連線分別置于相鄰兩橋臂內，溫度引起連線電阻的變化對電橋的影響相互抵消。,48,三線制接法,49,二線制接法 要求引線電阻不超過銅電阻R0的0.2%,50,四線制接法 電位差計測量電阻電路,51,(五) P-N結與集成電路溫度傳感器,1、鍺和硅二極管的正向

17、壓降以-2mV/C的斜率隨溫度變化； 2、晶體管的基極-發(fā)射極電壓Vbe與溫度基本成線性關系。 集成電路溫度傳感器將溫敏晶體管與激勵電路、放大電路等輔助電路集成在同一塊芯片上，能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于-55150之間的溫度測量，AD590（1A/C），ICL8073（1mV/C ）.,52,10.5 光輻射測溫方法及儀表,非接觸測溫利用光輻射來測量物體溫度 1、任何物體溫度高于絕對零度（-273.16C）時，都將有熱輻射，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。 2、輻射能以波動形式表現出來，其波長的范圍極廣，從短波、x光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。 3、溫度

18、測量中主要是可見光和紅外光，因為此類能量被接收以后，多轉變?yōu)闊崮?，使物體的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。,53,輻射測溫特點： 非接觸測量 - 不影響被測溫度分布 響應速度快：對高速運動物體測溫。 靈敏度高，能分辨微小的溫度變化； 測量范圍廣(-101300C)； 抗干擾能力強，無需修正。,54,一、熱輻射基本定律,(一) 基爾霍夫定律 (二) 斯忒潘玻耳茲曼定律 （三）普朗克定律 （四）維恩位移定律,55,出射輻射能與吸收輻射能的一致性 輻通量：單位時間內通過某一截面的輻射能，又稱輻射功率，SI單位為瓦。,(一) 基爾霍夫定律,光譜吸收率 ： -表示物體對輻射到其上的輻通量可吸收的比例。,

19、式中， 為被物體吸收的輻通量； 為照射到物體單位面積上的輻通量。,56,基爾霍夫定律,57,基爾霍夫證明了：,輻射出射度：從輻射源表面單位面積發(fā)射出的輻通量，某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。,58,基爾霍夫定律：在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。,59,結論：,則：物體的光譜發(fā)射率等于其光譜吸收率。,吸收輻射能力強的物體，受熱后向外輻射的能力也強；,60,(二)斯忒潘玻耳茲曼定律 物體輻射出射度與溫度間的關系,溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度 與溫度T的

20、四次方成正比。,輻射式溫度計測溫的理論根據。,61,（三）普朗克定律（單色輻射強度定律）,式中， c光速； h普朗克常數，6.62617610-34Js； k波爾茲曼常數，1.3806624410-23J/K； C1第一輻射常數，3.741810-16Wm2； C2第二輻射常數，1.438810-12mK； T絕對溫度。,溫度為T的單位面積元的絕對黑體，在半球面方向所輻射的波長為的輻射出射度為,描述輻射能量在各波長上的分布關系,也可以用輻射亮度來表示：,62,（四）維恩位移定律 最大輻射波長與溫度的關系,熱輻射光譜中包含著各種波長，從實驗可知，物體峰值輻射波長 與物體自身的絕對溫度T成以下關系

21、,63,溫度升高： 單色輻射強度隨溫度升高而增加； 總輻射能量增加； 峰值波長減小。,每一條曲線下的面積表示該溫度下物體輻射能量的總和，與溫度的四次方成正比。,64,二、輻射溫度計,（一）全輻射溫度計 利用物體的溫度與總輻射出射度的關系來測量溫度的。根據斯忒潘一玻耳茲曼定律總輻射出射度為：,65,采用敏感元件測量出輻射功率的大小，就可以測量出被測對象的溫度； 主要由光學系統(tǒng)、輻射接收器、測量儀表和輔助裝置組成； 可用于測量-5020000C的高溫； 對物體黑度系數的估計偏差會給儀表帶來誤差； 環(huán)境溫度的變化也會使儀表產生誤差。,二、輻射溫度計,66,被測物與儀表之間的距離要滿足距離系數要求： L/D（傳感器前端面到被測對象表面的距離與被測對象的有效直徑之比） 進行正確瞄準，使目標的像充滿接收器，不能偏離，否則也會產生誤差。,67,應該注意：儀表是以絕對黑體輻射功率與溫度的關系分度的，而實際使用時，被測物體并不是黑體，這樣測出的溫度自然要低于被測物體的實際溫度。這個溫度被稱為 “輻射溫度”。,T和TF分別