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1、第6章温度检测技术,概述,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。,温度检测技术,6.1 温标与标定6.2 测温方法分类及其特点6.3 热膨胀式测温方法6.4 热阻式测温方法6.5 热电式测温方法6.6 辐射法测温6.7 新型温度传感器及其测温技术,6.1 温标与标定,6.1.1 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
2、律，通过这些量来对温度进行间接测量。,6.1.1 温标,经验温标,华氏温标 1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)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。,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。,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(Carnot cycle)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
3、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27316份，每份为1 K (Kelvin) 。,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：,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一90。,国际实用温标,ITS一90基本内容：1、重申国际实用温标单位仍为K，1 K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
4、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一90基本内容：3、把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下： 0.655.0K，用3He和4He蒸汽温度计； 3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计； 13.803K961.78，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6-1所示：,国际实用温标,国际实用温标,表6-1 ITS-90温标17固定点温度,6.1.2 标定,6.1.2 标定,
5、温度检测技术,6.1 温标与标定6.2 测温方法分类及其特点6.3 热膨胀式测温方法6.4 热阻式测温方法6.5 热电式测温方法6.6 辐射法测温6.7 新型温度传感器及其测温技术,6.2 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。,6.2 测温方法分类及其特点,测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。,6.2 测温方法分类及其特点,感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测
6、物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度;非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。,接触式与非接触式测温特点比较,各种温度检测方法及其测温范围,温度检测技术,6.1 温标与标定6.2 测温方法分类及其特点6.3 热膨胀式测温方法6.4 热阻式测温方法6.5 热电式测温方法6.6 辐射法测温6.7 新型温度传感器及其测温技术,6.3 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。,特点：1、测量范围大都在-50550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。,
7、玻璃温度计,玻璃温度计是一种直读式仪表，水银是玻璃温度计最常用液体，其凝固点为-38.9、测温上限为538。特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。,压力温度计,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,压力温度计,压力温度计,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
8、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）。,双金属温度计,双金属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-80600，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。,温度检测技术,6.1 温标与标定6.2 测温方法分类及其特点6.3 热膨胀式测温方法6.4 热阻式测温方法6.5 热电式测温方法6.6 辐射法测温6.7 新型温度传感器及其测温技术,6.4
9、 热阻式测温方法,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。,6.4 热阻式测温方法,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。,6.4.1 铂电阻测温,铂电阻(I
10、EC)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,6.4.1 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=3.9080210-3 B=-5.801910-72 C=-4.2735010-124,热电阻的结构,6.4.1 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
11、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。,6.4.1 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6-4所示。,6.4.1 铂电阻测温,6.4.1 铂电阻测温,两线制测量电桥,三线制测量电桥,四线制测量原理,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
12、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。,6.4.2 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-40120。其电阻值与温度的关系为： 当时,6.4.2 铜电阻和热敏电阻测温,热敏电阻的优点： 灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12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
13、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0150范围，使用时必须注意。,6.4.2 铜电阻和热敏电阻测温,温度检测技术,6.1 温标与标定6.2 测温方法分类及其特点6.3 热膨胀式测温方法6.4 热阻式测温方法6.5 热电式测温方法6.6 辐射法测温6.7 新型温度传感器及其测温技术,6.5.1 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
14、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。,热电偶测温原理,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6-9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。,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；,热电偶测温原理,热电偶回路总电势为：,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：,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,
