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1、第7章 温度检测,适配教材现代检测技术及应用 李现明主编，高等教育出版社2012年第1版,7.1 常用温度检测方法,温度是表征物体冷、热程度的物理量，反映了物体内部分子运动平均动能的大小。 温度检测方法可划分为接触式温度检测和非接触式温度检测两大类。 接触式温度检测包括：膨胀式温度计、热电阻、热电偶、PN结数字温度计、石英晶体温度计等， 优点：简单、直观、可靠、价廉、精度高。 缺点：由于测温元件存在热惯性，导致一定的测量滞后；测温元件对热容量较小的被测对象的温度场有一定影响；接触不良时易带来测量误差；测温元件的性能和寿命受高温和腐蚀性介质的影响；测量运动体的温度比较困难。,接触式温度检测：膨胀
2、式温度计、热电阻、热电偶、PN结数字温度计、石英晶体温度计等 优点：简单、直观、可靠、价廉、精度高。 缺点： 由于测温元件存在热惯性，导致一定的测量滞后； 测温元件对热容较小的被测对象温度场有一定影响； 接触不良时易带来测量误差； 测温元件的性能和寿命受高温和腐蚀性介质的影响； 测量运动体的温度比较困难。,非接触式温度检测：比色高温计、光学高温计、辐射感温式温度计、红外温度计等； 优点： 热惯性小； 测温范围广； 不破坏被测温度场； 可以测量运动体的温度； 可以测量物体表面的温度分布。 缺点： 测量精度一般不高、结构复杂、价格高。,7.1.1 双金属温度检测,其感温元件是由两种热膨胀系数具有明
3、显差异的金属片彼此牢固结合所制成的，称为双金属片。 热膨胀系数较大的一层称之为主动层，热膨胀系数较小的一层称之为被动层。双金属片的一端固定，另一端为自由端。 温度升高时，主动层向被动层一侧弯曲。由于二者牢固结合，从而造成整个双金属片弯曲。温度越高，产生的弯曲就越大。,图7.1 双金属片受热变形示意图,当双金属片的长度、厚度一定，而且1、2保持常数时，其偏转角与被测温度t呈线性关系，实现了温度到偏转角的转换。 双金属片通过传动机构带动指针，即可完成温度显示； 双金属片通过传动机构带动电触点，即可将温度信号转换为开关形式的电信号。,双金属片是双金属温度计的核心部件，其材料应满足以下基本要求： 1)
4、 主动层与被动层的热膨胀系数应有较大差别，从而保证双金属温度计有较高的灵敏度。 2) 主动层与被动层的热膨胀系数应稳定，从而保证双金属温度计有较好的重复性。 3) 主动层与被动层都有较高的弹性模量，从而保证双金属温度计有较大的测量范围。 常用双金属材料如表7.1所示。,双金属温度计有普通双金属温度计、热套式双金属温度计、电接点双金属温度计、防爆型双金属温度计、盒型双金属温度计等多种具体种类。普通双金属温度计的结构如图7.2所示。,图7.2 普通双金属温度计结构示意图 1-指针；2-标度盘；3-保护管；4-指针轴； 5-感温元件；6-固定端,普通双金属温度计,作为测温体的双金属片通常绕成螺旋形，
5、以提高灵敏度。螺旋形双金属片的自由端与细轴4相连，细轴4的端部装有指针1。当温度发生变化而产生形变时，自由端将绕轴旋转，带动指针转动，从而在标度盘上指示被测温度。,双金属温度计的精度等级有1.0、1.5、2.5三种。 它的时间常数与保护管直径有关。对于4mm、6mm的保护管直径，时间常数小于30s；对于8mm、10mm、12mm的保护管直径，时间常数小于60s。 双金属温度计插入被测介质的深度必须大于感温元件的长度。 双金属温度计工作的环境温度范围为-4055，环境湿度应小于85%。 使用中应避免强力冲击和碰撞，以免保护管变形。 与双金属温度计有关的现行标准为JB/T 88031998，该标准
6、规定了双金属温度计的产品分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、储存等。,7.1.2 压力式温度检测,压力式温度检测是根据密闭容器中的感温介质受热后体积膨胀引起压力变化的原理来测量温度的。 换言之，它首先将温度信号转换为压力信号，然后用测量压力的方法来实现温度的测量，,根据感温介质不同，压力式温度计可分为液体压力温度计、气体压力温度计、蒸气压力温度计，其测量范围与具体感温介质有关。 感温介质为二甲苯时，测量范围为-40400； 感温介质为甲苯时，测量范围为120300； 感温介质为氮气时，测量范围为-100500。 气体压力式温度计的时间常数约为80s，水银压力式温度计的时间常数约为2
7、0s，其它液体压力式温度计的时间常数约为40s。 压力式温度计的精度等级有1.0、1.5、2.5等。 表7.2给出了压力式温度计使用注意事项。,与压力式温度计有关的现行标准,JB/T 92591999 蒸气和气体压力式温度计； JB/T 92621999 工业玻璃温度计和实验玻璃温度计； JB/T 9263.11999 内标式工业玻璃温度计型式和基本尺寸； JB/T 9263.21999 内标式普通实验玻璃温度计型式和基本尺寸； JB/T 9263.31999 内标式精密实验玻璃温度计型式和基本尺寸； JB/T 9263.41999 棒式普通实验玻璃温度计型式和基本尺寸； JB/T 9263.
8、51999 棒式精密实验玻璃温度计型式和基本尺寸； JB/T 92641999 电接点玻璃温度计。,压力式温度计,7.1.3 热电偶温度检测,热电偶是最重要的温度检测方法之一，将在7.2节作为温度检测技术示例予以详细阐述。,7.1.4 热电阻温度检测,热电阻的测温原理基于金属电阻率随温度变化而发生变化，将温度信号转换为电阻值的变化。,各种金属材料的电阻均随温度而发生变化，但适于制作温度敏感元件的电阻材料要满足要求： 要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数； 电阻率要大，在同样灵敏度下减小元件尺寸； 电阻温度系数要保持单值，并且最好是常数，以保证电阻随温度变化的线性关系； 性能要稳定，在电阻的使用范
9、围内，其物理、化学性能基本保持不变。 根据以上要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。目前，广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。其中，铂电阻、铜电阻温度传感器已经标准化。,1 铂热电阻传感特性,当温度在0850范围内时，铂热电阻和温度的关系为,2 铜热电阻传感特性,铜热电阻的温度系数比铂热电阻大、价格低、易提纯，但电阻率小、机械强度差。在测量精度要求不是很高、测量范围较小的情况下，常被采用。 铜热电阻在-50150的使用范围内，其电阻值与温度的关系近似线性关系,3 热电阻的结构,图7.4 热电阻的结构,热电阻,热电阻,（1）电阻丝 由于铂的电阻率较大，而且相对机械强度也较大，通常将铂丝直径设计
10、在0.03mm0.07mm之间，可单层绕制。若铂丝过细，电阻体虽可做得更小，但强度低。若将铂丝加粗，强度虽可增大，但电阻体大了，热惯性也大，且加大了成本。 铜的机械强度较低，电阻丝的直径需适当加大。一般选择0.1mm的漆包铜线或丝包线，分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆。由于铜电阻测量的温度低，故可以重叠多层绕制，一般多用双绕法，即两根丝平行绕制，在末端把两个头焊接起来。这样，工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。,（2）骨架 热电阻丝是绕制在骨架上的，骨架用来支持和固定电阻丝。
11、骨架应使用电绝缘性能好、高温下机械强度高、体膨胀系数小、物理化学性能稳定、对热电阻丝无污染的材料制造。 常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。,（3）引出线,引出线的直径应当比热电阻丝大几倍，以便尽量减小引出线的电阻、增加引出线的机械强度和连接的可靠性。对于工业用铂热电阻，一般采用1mm的银丝作为引出线。对于标准铂热电阻，则采用0.3mm的铂丝作为引出线。对于铜热电阻，常用0.5mm的铜线作为引出线。 在骨架上绕制好热电阻丝，并焊好引线之后，在其外面加上云母片进行保护，再装入外保护套管中，并和接线盒或外部导线相连接，即得到热电阻传感器。,三线制接线,为削弱引线电阻、连接电阻的阻值及其随环境温
12、度的波动对测量精度的影响，热电阻到信号调理电路之间的引线常采用三根线，称为“三线制”。 具体接线方法见图7.5所示。图中假设测量电桥为平衡电桥，若接不平衡电桥，则将图中的检流计G去掉，c、d处接后续电路的输入端即可。 从热电阻体的根部一端引出两根线、另一端引出一根线，两根引出导线、连接导线接到电桥的相邻桥臂中，第三根引出导线、连接导线的电阻加到电桥的电源上。 三线制是工业中最常用的连接方法。,图7.5 热电阻的三线制接线方法,根据电桥平衡条件，只要将电桥设计成R2=R3 ,在电桥平衡条件下，引出导线、连接导线的电阻及其随环境温度的波动不会造成测量误差。 当电桥工作在不平衡条件下时，三线制接法不
13、会完全消除引出导线、连接导线的电阻及其随环境温度的波动所造成得测量误差，但可以大大减小此类误差。 图7.5(b)只是对连接导线采用了三线制，它可以减小连接导线的电阻及其随环境温度的波动所造成得测量误差，但引出导线的影响依然存在。,四线制接线,在实验室的精密测量中，常采用四线制接法。 如图7.6所示，从热电阻体的根部两端各引出两根线，分别接电压测量仪器电子电位差计和恒流源，通过欧姆定律获得热电阻的阻值。,自热效应问题,热电阻在工作时必须施加激励电流，该电流将造成电阻体本身的发热，从而造成测量误差。因此必须对激励电流的幅值加以限制。,常见故障,热电阻常见故障有短路和断路。 当显示仪表指示值为温度上
14、限时，很可能是热电阻断路造成； 当显示仪表指示值为温度下限时，很可能是热电阻短路造成。 保护管内有灰尘可造成示值偏低； 热电阻体本身受到腐蚀，可造成温度与阻值的关系发生变化，严重偏离分度表。,与热电阻有关的标准,JB/T 86221997 工业铂热电阻技术条件及分度表； JB/T 86231997 工业铜热电阻技术条件及分度表； JB/T 55181991 工业热电偶与热电阻隔爆技术条件； JB/T 92391999 工业热电偶、热电阻用陶瓷接线板； JB/T 102012000 带转换器热电阻。,7.1.5 非接触式温度检测,非接触式温度检测，又称为辐射式温度检测。 测量原理：任何物体受热后
15、都将有一部分热量转换为辐射能。温度越高，辐射到周围环境的能量也就越多，而且二者满足一定的函数关系。这样，通过测量被测对象辐射到周围的能量就可间接获得被测对象的温度。,组成：一般由光学系统和检测元件两部分组成。 光学系统用于瞄准被测对象，把其辐射能量集中到检测元件上； 检测元件用于把汇聚的辐射能量转换为电信号。 分类：非接触式温度检测可以分为4类 全辐射式温度检测 部分辐射式温度检测 亮度式温度检测 比色温度检测,1 全辐射式温度检测,自然界中任何物体，温度都在绝对零度以上，都会向外辐射出能量。设一小凸形物体的辐射发射率与吸收率相等，则其单位时间、单位表面积对周围环境所辐射出的能量为,全辐射式温
16、度检测基于被测物体在全光谱范围内的总辐射能量与温度具有确定性的关系来测量温度。由于是对全辐射波长进行测量，因此光学系统和热敏感检测元件必须具有较宽的光谱特性。其结构示意图如图7.7所示。,全辐射式温度检测测温范围为4002000。 按光学系统的结构形式，可进一步划分为反射镜式感温器和透镜式感温器。 反射镜式感温器用于测量中温，透镜式感温器用于测量高温。 全辐射式温度检测系统的主要优点：性能稳定、结构坚固、价格比较低、使用比较方便； 主要缺点：由于工作在宽波段下，读数受光谱发射率、吸收、反射影响较大，测量精度较低。目前主要用于中小型炉窑的温度检测。,辐射式温度检测,2 亮度式温度检测,亮度式温度检测，基于物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度。实际物体的单色辐射亮度为,物体单色辐射亮度与被测温度具有一一对应的关系。按此原理形成的测温装置称为光学高温计，有标准光学高温计和工业用光学高温计两个大类。 标准光学高温计又可划分基准温度计和标准温度计； 工业用光学高温计又可划分为隐丝式光学
