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1、第9章温度检测技术 中医免费资料 温度是国际单位制给出的基本物理量之一 它是工农业生产 科学试验中需要经常测量和控制的主要参数 从热平衡的观点看 温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志 温度与人们日常生活紧密相关 第9章温度检测技术 9 1概述9 2接触式测温方法9 3辐射法测温 第9章温度检测技术 9 1 1温标 为了保证温度量值的准确和利于传递 需要建立一个衡量温度的统一标准尺度 即温标 利用一些物质的某些物性 诸如尺寸 密度 硬度 弹性模量 辐射强度等 随温度变化的规律 通过这些量来对温度进行间接测量 9 1 1温标 1 经验温标 华氏温标1714年德国人法勒海特 Fahre
2、nheit 以水银为测温介质 制成玻璃水银温度计 按照华氏温标 则水的冰点为32 沸点为212 1 经验温标 摄氏温标1740年瑞典人摄氏 Celsius 提出在标准大气压下 把水的冰点规定为0度 水的沸点规定为100度 摄氏温度和华氏温度的关系为T t 32式中T 华氏温度值 t 摄氏温度值 2 热力学温标 热力学温标是由开尔文 Ketvin 在1848年提出的 以卡诺循环 Carnotcycle 为基础 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致 把理想气体压力为零时对应的温度 绝对零度与水的三相点温度分为273 16份 每份为1K Kelvin
3、3 绝对气体温标 从理想气体状态方程入手 来复现热力学温标叫绝对气体温标 由波义耳定律 当气体的体积为恒定 定容 时 其压强就是温度的单值函数 这样就有 4 国际实用温标 指导思想 尽可能地接近热力学温标 复现精度要高 制作较容易 性能稳定 使用方便 1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标 简称ITS 90 4 国际实用温标 ITS 90基本内容 1 重申国际实用温标单位仍为K 1K等于水的三相点时温度值的1 273 16 2 把水的三相点时温度值定义为0 01 摄氏度 同时相应把绝对零度修订为 273 15 国际摄氏温度和国际实用温度关系为 ITS 90基本内容 3 把整
4、个温标分成4个温区 其相应的标准仪器如下 0 65 5 0K 用3He和4He蒸汽温度计 3 0 24 5561K 用3He和4He定容气体温度计 13 803K 961 78 用铂电阻温度计 961 78 以上 用光学或光电高温计 4 新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标 见表9 1所示 4 国际实用温标 4 国际实用温标 表9 1ITS 90温标17固定点温度 9 1 2测温方法分类及其特点 根据传感器的测温方式 温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类 9 1 2标定 9 1 2标定 接触式与非接触式测温特点比较
5、测量条件接触式 感温元件要与被测对象良好接触 感温元件的加入几乎不改变对象的温度 被测温度不超过感温元件能承受的上限温度 被测对象不对感温元件产生腐蚀非接触式 知道被测对象表面发射率 被测对象的辐射能充分照射到检测元件上 测量范围接触式 1200 以下 热容大 无腐蚀性 对象的连续在线测温非接触式 从超低温到极高温 但1000 以下 测量误差大 接触式与非接触式测温特点比较 精度接触式 通常为1 0 0 5 0 2及0 1级非接触式 通常为1 0 1 5 2 5级 响应速度接触式 慢 通常为几十秒到几分钟非接触式 快 通常为2 3秒钟 其它特点接触式 结构简单 体积小 可靠 维护方便 价格低廉
6、非接触式 结构复杂 体积大 调整麻烦 价格昂贵 各种温度检测方法及其测温范围 第9章温度检测技术 9 1概述9 2接触式测温方法9 3辐射法测温 9 2接触式测温方法 根据测温转换的原理 接触式测温可分为 1 膨胀式 包括液体和固体膨胀式 2 热阻式 包括金属热电阻和半导体热电阻 3 热电式 包括热电偶和PN结 9 2 1热膨胀式测温方法 基于物体受热时产生膨胀的原理 分为液体膨胀式和固体膨胀式两类 按膨胀基体可分成 液体膨胀式玻璃温度计 液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计 特点 1 测量范围大都在 50 550 内2 用于温度测量或控制精度要求较低 不需自动记录的场合 1 压
7、力温度计 压力温度计是根据一定质量的液体 气体 蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的 特点 强度大 不易破损 读数方便 但准确度较低 耐腐蚀性较差测温范围下限能达 100 以下 上限最高可达600 一般用于汽车 拖拉机 内燃机 汽轮机的油 水系统的温度测量 1 压力温度计 1 压力温度计 2 双金属温度计 当温度变化时 因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩 导致双金属片产生弯曲变形 基于固体受热膨胀原理 测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起 构成双金属片感温元件 俗称双金属温度计 2 双金属温度计 双金属
8、温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类 其测温范围大致为 80 600 精度等级通常为1 5级左右 双金属温度计抗振性好 读数方便 但精度不太高 只能用做一般的工业用仪表 9 2 2热阻式测温技术 基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质 将电阻值的变化转换为电信号 从而达到测温的目的 热电阻的材料 电阻率 电阻温度系数要大 热容量 热惯性要小 电阻与温度的关系最好近于线性 物理 化学性质要稳定 复现性好 易提纯 同时价格尽可能便宜 优点 信号灵敏度高 易于连续测量 可以远传 与热电偶相比 无需参比温度 金属热电阻稳定性高 互换性好 准确度高 可以用
9、作基准仪表 缺点 需要电源激励 有自热现象 会影响测量精度 以及测量温度不能太高 常用热电阻种类主要有铂电阻 铜电阻和半导体热敏电阻 9 2 2热阻式测温技术 铂电阻测温 铂电阻 IEC 的电阻率较大 电阻 温度关系呈非线性 但测温范围广 精度高 且材料易提纯 复现性好 在氧化性介质中 甚至高温下 其物理 化学性质都很稳定 目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10 其中Pt100更为常用 铂电阻与温度的关系当 时当 时 铂电阻测温 式中R0 温度为零时铂热电阻的电阻值R t 温度为t时铂热电阻的电阻值 A 3 90802 10 3 B 5 8019 10 7 C 4 27350 10 12
10、 热电阻的结构 铂电阻测温 热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器 它是热电阻的核心部分 由电阻丝及绝缘骨架构成 作为热电阻丝材料应具备如下条件 电阻温度系数大 线性好 性能稳定 使用温度范围广 加工方便 固有电阻大 互换性好 复制性强 铂电阻测温 热电阻的引线形式热电阻的内引线是出厂时自身具备的引线 其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接 热电阻的外引线有两线制 三线制及四线制三种 如图9 4所示 铂电阻测温 铂电阻测温 1 两线制测量电桥 2 三线制测量电桥 3 四线制测量原理 3 四线制测量原理 该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度 电压表的测量精度 引线的固有热电势 可采用如下
11、措施提高测量精度 在电流回路中加入一具有极低温度系数的高精密电阻作为采样电阻 测量该采样电阻上的电压值VS进而精确得到恒流源的电流值I 从而消除由于温漂 失调等因素造成的恒流源误差 变换恒流源极性测量热电阻 可大大抑制热电势的影响 铜电阻和热敏电阻测温 铜电阻铜电阻 WZC 的电阻值与温度的关系几乎呈线性 其材料易提纯 价格低廉 但因其电阻率较低 仅为铂的1 2左右 而体积较大 热响应慢 另因铜在250 以上温度本身易于氧化 故通常工业用铜热电阻 分度号分别为Cu50和Cul00 一般其工作温度范围为 40 120 其电阻值与温度的关系为 当 时 铜电阻和热敏电阻测温 热敏电阻的优点 灵敏度高
12、 其灵敏度比热电阻要大1 2个数量级 很好地与各种电路匹配 而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响 体积小 热惯性小 响应速度快 适用于快速变化的测量场合 结构简单坚固 能承受较大的冲击 振动 热敏电阻的缺点 阻值与温度的关系非线性严重 元件的一致性差 互换性差 元件易老化 稳定性较差 除特殊高温热敏电阻外 绝大多数热敏电阻仅适合0 150 范围 使用时必须注意 铜电阻和热敏电阻测温 9 2 3热电偶测温 热电偶是工业和武备试验中温度测量应用最多的器件 特点 测温范围宽 测量精度高 性能稳定 结构简单 且动态响应较好 输出直接为电信号 可以远传 便于集中检测和自动控制 1 热电偶测温原理
13、热电偶的测温原理基于热电效应 将两种不同的导体A和B连成闭合回路 当两个接点处的温度不同时 回路中将产生热电势 由于这种热电效应现象是1821年塞贝克 Seeback 首先发现提出 故又称塞贝克效应 如图9 8所示 热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成 温差电势和接触电势 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势 接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度 而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象 当达到动态平衡时 在热电极接点处便产生一个稳定电势差 1 热电偶测温原理 热电偶两热电极分别叫A 正极 和B 负极 两端温度分别为且 1 热电偶测温原理 热电偶回路总
14、电势为 其中温差电势EA T T0 和EB T T0 比接触电势小很多 可忽略不计 且EAB T0 总与EAB T 的方向相反 上式简化为 2 热电偶分类及特性 为了得到实用性好 性能优良的热电偶 其热电极材料需具有以下性能 1 优良的热电特性 2 良好的物理性能 3 优良的化学性能 4 优良的机械性能 5 足够的机械强度和长的使用寿命 6 制造成本低 价值比较便宜 工业用热电偶测温范围 2 热电偶分类及特性 3 热电偶结构 普通工业用热电偶热电偶通常主要由四部分组成 如图9 11所示 热电极 绝缘管 保护管和接线盒 铠装热电偶铠装热电偶 是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电
15、偶 3 热电偶结构 优点 测量温度范围宽 响应速度快 挠性好 安装使用力便 使用寿命长 机械强度 耐压性能好 铠装热电偶外径尺寸范围宽 铠装热电偶的长度可以做得很长 4 热电偶温度测量 优点 改善热电偶测温线路的机械与物理性能降低测量线路的成本节省贵金属材料 便于安装与敷设 若用直径粗 电导系数大的补偿导线 还可减少测量回路电阻 补偿导线使用注意事项如下 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用 补偿导线与热电偶连接点的温度 不得超过规定的使用温度范围 由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同 因此两连接点温度必须相同 在需高精度测温场合 处理测量结果时应加上补偿导线的修正值 以保证测量精度
16、4 热电偶温度测量 我们经常使用的热电偶分度表 都是以热电偶参比端为0 条件下制作的 在工业测温现场一般不能使参比端保持0 现在由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及 因而 智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式 当热电偶的测量端和参比端温度分别为t t1 假定t1 t0 0 则热电动势 4 热电偶温度测量 例9 1 用K型热电偶测炉温时 测得参比端温度t1 38 测得测量端和参比端间的热电动势E t 38 29 90mV 试求实际炉温 解 由K型分度表查得E 38 0 1 53mV 由式 6 11 可得到 E t 0 E t t1 E t1 0 29 90 1 53 31 43mV再查K型分度表 由31 43mV查得到实际炉温755 4 热电偶温度测量 4 热电偶温度测量 上述例子 若参比端不作修正 则按所测测量端和参比端间的热电动势E t 32 29 90mV查K型分度表得对应的炉温718 与实际炉温755 相差37 由此产生的相对误差约为5 由此可见 如果不考虑参比端温度修正 补偿有时将产生相当大的 温度 测量误差 9 1概述9 2接触式测温方法9 3辐射法测温 第9章温度
