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1、测量技术基础,第九章 温度传感器,温度测量的基本概念 热电偶传感器 热电阻式传感器,本章内容：,温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度测量：以热平衡为基础。温度最本质特性：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热、换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。测量方式：接触式和非接触式。,一、温度测量基本概念,9.1 温度测量的基本概念,模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！,高温,低温,一、温度测量基本概念,9.1 温度测量的基本概念,二、温标,1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点(即零点)以及温
2、度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标等。,9.1 温度测量的基本概念,(1) 摄氏温标1742年瑞典人摄尔塞斯(Celsius)规定水的冰点为0C，水的沸点为100C，水的冰点沸点之间等分为100份，每份为1摄氏度(1C) 。经验温标是借助于一些物质的物理量与温度之间的关系，用实验方法得到的经验公式来确定温度值的标尺，因此有局限性和任意性。,二、温标,9.1 温度测量的基本概念,1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)以水银的体积随温度而变化为依据，制成了玻璃水银温度计，并规定了氯化氨和冰的混合物为0F，水的沸点
3、为212F，冰的溶点为32F，在沸点和冰点之间等分为180份，每份为华氏1度(1F)。,(2) 华氏温标,二、温标,9.1 温度测量的基本概念,(3) 热力学温标(K),热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文(Kelvin)根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文(K)。选取水三相点温度(273.16K)为唯一的参考温度。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,二、温标,9.1 温度测量的基本概念,(4) 1990国际实用温标(ITS-90),根据第18届国际计量大会的决议，自1990年1月1日起开始在全世界实行我国：自1994年1月1日开始全面实施90
4、国际实用温标主要有三方面内容： 温度单位 定义固定温度点 复现固定温度点的方法,二、温标,9.1 温度测量的基本概念,几种温标的对比,正常体温为37C ，相当于华氏温度多少度？,9.1 温度测量的基本概念, 温度单位,符号：T，单位为开尔文(K)，K的定义为水的三相点温度的1/273.16。用与冰点273.15K的差值表示的热力学温度称为摄氏温度，符号为t，单位为度(C)，即t=T-273.15，并有10C=1K。摄氏度(0C)是由国际温标重新定义的，是以热力学温标为基础的。90国际温标定义国际开尔文温度T90和国际摄氏度t90，其间关系如同T和t一样，即 t90=T90-273.15,9.1
5、 温度测量的基本概念, 定义固定温度点,90国际实用温标的定义固定温度点是利用一系列纯物质各相间可复现的平衡状态或蒸汽压所建立起来的特征温度点。这些特征温度点的温度指定值是由国际上公认的最佳测量手段测定的。,9.1 温度测量的基本概念, 复现固定温度点的方法,90国际温标把温度分为4个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：0.655.0K间为3He或4He蒸汽压温度计；3.024.5561K间为3He或4He定容气体温度计；13.8033K961.780C间为铂电阻温度计；961.780C以上为光学或光电高温计。使用中，一般在水的冰点以上的温度使用摄氏度单位(0C)，在冰点以下的温度
6、使用热力学温度单位(K)。,9.1 温度测量的基本概念,三、温度测量及传感器分类,热膨胀率 电阻 蒸气压的温度变化 电极的温度变化 材料的热电动势 光电效应 热电效应,1. 温度传感器的物理原理,介电常数 导磁率 物质的变色、融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声,9.1 温度测量的基本概念,2. 温度传感器的种类及特点,接触式温度传感器非接触式温度传感器,接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式
7、温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,9.1 温度测量的基本概念,物理现象,体积热膨胀,电阻变化,温差电现象,导磁率变化,电容变化,压电效应,超声波传播速度变化,物质 颜色,PN结电动势,晶体管特性变化,可控硅动作特性变化,热、光辐射,传感器种类,铂测温电阻、热敏电阻,热电偶,BaSrTiO3陶瓷,石英晶体振动器,超声波温度计,示温涂料 液晶,半导体二极管,晶体管半导体集成电路温度传感器,可控硅,辐射温度传感器 光学高温计,1.气
8、体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计,1 热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金,9.1 温度测量的基本概念,9.1 温度测量的基本概念,9.1 温度测量的基本概念,此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。,9.1 温度测量的基本概念,介绍几种温度测量方法,示温涂料(变色涂料),装满热水后图案变得清晰可辨,9.1 温度测量的基本
9、概念,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,9.1 温度测量的基本概念,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,9.1 温度测量的基本概念,红外温度计,9.1 温度测量的基本概念,1 热电偶测温原理 2 热电偶的基本定律 3 热电偶的冷端处理和补偿 4 标准化热电偶 5 非标准化热电偶 6 热电偶结构型式 7 热电偶安装注意事项,9.2 热电偶传感器,热电偶测温的主要优点,1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以
10、上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,9.2.1 热电偶传感器测温原理,热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势,热电极A,右端称为：自由端参考端冷端,左端称为： 测量端工作端热端,热电极B,热电势,A,B,9.2.1 热电偶传感器测温原理,热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势。,热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定,9.2.1 热电偶传感器测温原理,1) 接触电势(帕尔贴热电势),k 玻耳兹曼常数； T 接触面的绝对温度； e 单位电荷量； NA金属电极A的自由电子密度 NB金属电极B的自
11、由电子密度,接触电势,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,自由电子,A,B,eAB(T),T,9.2.1 热电偶传感器测温原理,汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。,温差电势,2) 温差电势(汤姆逊热电势),9.2.1 热电偶传感器测温原理,3) 热电偶回路的总热电势,9.2.1 热电偶传感器测温原理,热电极A和B为同一种材料时，NA=NB, A=B，则 EAB(T, T0)=0若热电偶两
12、端处于同一温度下，T=T0， 则 EAB(T, T0)=0。热电势存在必须具备两个条件：a) 两种不同的金属材料组成热电偶；b) 两端存在温差。,9.2.1 热电偶传感器测温原理,热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0时，f(T0)=0则有：,E与T间有唯一对应的单值函数关系，因此可用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只与导体A和B的材料及冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及接触面积无关。,对式进行整理，有：,9.2.1 热电偶传感器测温原理,1) 匀质导体定律 2) 中间导体定律 3) 连接导体定律,9.2.2 热电偶的基本定律,1) 匀质导体定
13、律,热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。,由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成。,9.2.2 热电偶的基本定律,2) 中间导体定律,在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。,为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据,9.2.2 热电偶的基本定律,两种导体A,B分别与参考电极C
14、组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极,3) 连接导体定律,9.2.2 热电偶的基本定律,热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿： 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为0。,9.2.3 热电偶的冷端处理和补偿,几种冷端处理方法,1) 补偿导线法 2) 热电偶冷端温度恒温法 3) 计算修正法 4) 冷端补偿电桥法,9.2.3 热电偶的冷
15、端处理和补偿,1) 补偿导线法,组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。 热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。 补偿导线又分为延长型和补偿型两种 延长型：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母“”附在热电偶分度号后表示 补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示,9.2.3 热电偶的冷端处理和补偿,补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色,补偿导 线型号,配用热电偶,补偿导线的线芯材料,绝缘层着色,正极,负极,SC或RC,铂铑10（铂铑）-铂,SPC（铜）,SNC（铜镍）,红,绿,KC,镍铬-镍硅,KPC（铜）,KNC（铜镍）,红,蓝,KX,镍铬-镍硅,KPX（铜镍）,KNX（镍硅）,红,黑,NX,镍铬硅-镍硅,NPS（铜镍）,NNX（镍硅）,红,灰,EX,镍铬-铜镍,EPX（镍铬）,ENX（铜镍）,红,棕,JX,铁-铜镍,JPX（铁）,JNX（铜镍）,红,紫,TX,铜-铜镍,TPX（铜）,
