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1、温度测量简介,李丽,一、温度测量的基本概念,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！,低温,高温,温度：标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。,二、温标,1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度读数的起点（即零点）以及温度的单位。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、热力学温标等。,几种温标的对比,热力学温标（K）,热力学温标:建立在热力学第二定律基础上的温标 开氏温标:由开尔文（Kelvin）提出来 符号: T 单位: 开尔文（K） 。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,1990国际温标(ITS-
2、90),ITS-90：从1990年1月1日开始在全世界范围采用 定义了：温度的固定点 测量和重现固定点的标准仪器 计算公式 例如水的三相点为273.16K（0.01C）。,摄氏温标,是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：,华氏温标,目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：,T=t+27
3、3.15 K,t=T-273.15 ,m=1.8n+32 ,n= 5/9 (m-32) ,温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。,三、温度检测及仪表,（一）温度检测方法,一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。 主要分为2大类： 接触式测温通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。 非接触式测温通过接受被测物体发出的热辐射来感知温度。,接触式测温仪表有： 1、膨胀式温度计 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。主要有： 液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。,玻璃管温度计,电接点式 玻璃管温度计,气
4、体热膨胀式,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,双金属片:两片线胀系数不同的金属片叠焊接在一起。 受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。 若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。,固体膨胀式温度计,双金属片常用来做温度报警或控制,随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。 调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。,双金属温控器,继电器,原理：封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。,利用封闭容器中的介质压力
5、随温度变化的现象来测温。,压力表指示温度,2、压力式温度计,3、热电偶温度计 利用物体的热电性质：热电势 4、热电阻温度计 利用金属或半导体电阻值随温度而变化的性质 5、半导体温度计 利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性,红外线测温计,光学高温计,1、辐射式温度计：通过测量物体热辐射功率来测量温度。 2、红外式温度计：通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。,非接触式测温的具体方法有,红外温度计,集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。 特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为-50150。,集成温度传感器分为 电压型 电流型 数字型,3
6、、集成温度传感器,热电偶、热电阻的测温信号，须经后级仪表处理将温度显示出来或记录保存。,1. 动圈式指示仪表 可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。,（二） 温度显示仪表,动圈式仪表实质上是测量电流的仪表 核心部件是一个磁电式毫安表 通电线圈在磁场中受力矩的作用而偏转，指针移动,当测量信号通过张丝加在动圈上，电流流过动圈，动圈受磁场力作用而偏转。,动圈转动使张丝扭转并产生反抗动圈转动的力矩，两力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上，指示被测参数值。,动圈测量机构原理,由于热敏电阻温度系数太大，用一个锰铜电阻RM（50）和热敏电阻RT（6820）并联。R串按量程大小调整。,热电
7、偶直接输出毫伏信号，可以驱动动圈仪表。 但要解决动圈电阻温度补偿和量程匹配问题。 用热敏电阻补偿动圈电阻的温度误差,1) 配热电偶的动圈仪表, 外接电阻和外接调整电阻 热电偶和动圈仪表相接后，流过动圈的电流为：,R外 = R热+ R补+ R连+ R调 R内 = 表内电阻之和,测量时要求回路： R总=15 通过调整R调实现。,一般用电桥将热电阻信号转换成电压信号,2) 配热电阻的动圈仪表,则 R1R3 =R2（R0+RT0） 且 R1= R2 ， R3 = RT0 + R0 有：I1 = I2 = I 当T 时，电桥输出 Uab =R3 I （RT+R0）I =R3 I （RT0+RT+R0）I
8、 = RT I, 电桥工作原理,设T0时，电桥平衡。,可见三线制接法可以消除接线电阻的影响。一般规定每根连接导线的电阻值为5。, 三线制与外接调整电阻 在考虑接线电阻后，电桥输出：,Uab =（R3+r) I （RT0 +RT +R0+r）I = RT I,数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：,2. 数字式指示仪表,例：配热电偶的数字式测 温仪表原理框图,标准热电势,滤波,放大,线性化,标度变换,检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出，并使能够远传。,数字控制系统的信号
9、标准有： FF协议、 HART协议等,模拟控制系统的信号标准是： 型：010mA、010V III型：420mA、15V,（三）温度变送器,1. 模拟式温度变送器,模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和量程，但结构相同,E1,以DDZ-III型热电偶温度变送器为例:,DDZ型电动单元组合仪表中的变送单元之一,它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。,轨装式温度变送器,传感元件与测量电路一体化高度集成，自带冷端补偿功能， 24VDC供电。,
10、智能变送器是采用微处理器技术的现场型仪表。可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。,2. 智能温度变送器,西仪444系列温度变送器,上海横河YT200温度变送器,3.1 电阻式传感器,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,3.1.2 测温热电阻传感器,3.1 电阻式传感器,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的
11、变化趋势相同。,分为：金属热电阻，半导体热敏电阻,一、金属热电阻（热电阻）,1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，大，线性好， 性能稳定，便于生产（铜、铂、镍）。 2、特点：测温精度较高，范围广（-2006000 C），稳定 性、重复性好。但热惯性大，灵敏度低。 3、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部 件组成的，电阻丝是热电阻的 最主要部分。,3.1 电阻式传感器,1）铂电阻 阻值与温度的函数关系为:,其中：A, B, C 为常数,4、分别描述铂电阻，铜电阻，其它金属热电阻的特点。,特点：精度高、稳定性好、性能可靠，测温范围广。 分度号： Pt50 R0 = 50 Pt100 R
12、0 =100 百度电阻比1.385 结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平板性支架上，铂 丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。热电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制，通过两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消 微型铂电阻: 特点是体积小，热惯性小，气密性好,2）铜电阻 适用范围：-501500C ,精度要求不高的场合 优点：铜的电阻与温度呈线性关系；电阻温度系数高； 易提纯，价格便宜 缺点：机械强度不高、易氧化等, 温度范围小。百度电阻比1.428,3.1 电阻式传感器,铜
13、电阻阻值与温度的函数关系为: .25.2810-3 /0C 分度号: Cu50 R0 =50 WZC型 Cu100 R0 =100 3）其它金属热电阻： 铟电阻，锰电阻，碳电阻,3.1 电阻式传感器,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,3.1 电阻式传感器,表2-2 热电阻的主要技术性能,3.1 电阻式传感器,5. 使用时的注意事项 工业上广泛应用金属感温电阻器作为-200+600 范围的温度测量。它的特点是精度高, 适于测低温。但使用中需要注意以下两点。 1） 自热误差 在用感温电阻器测量时,电阻总要消耗一定的电功率,它同样会造成电阻值的变化,但这种变化是不希望的。使用中应尽量减小
14、由于电阻器通电产生的自热而引起的误差。一般是限制电流, 规定其值应不超过6mA。,3.1 电阻式传感器,2） 引线电阻的影响 用于测量的感温电阻器,总得有连接导线,但由于金属电阻器本身的电阻值很小, 所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。比如对于50的测温电阻,1的导线电阻将产生约5的误差, 这是不能允许的。为此,测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。,3.1 电阻式传感器,图2.12 二线式接法,图2.12的二线式接法中,两根引线完全加到一个桥臂上,引线电阻值及其变化将引起电桥输出变化, 造成测温误差。,3.1 电阻式传感器,图2.13 三线式接法,图2.13中,Rt为热电阻,r1、r2、
15、r3为引线电阻。在三线式连接法中,一根引线接到电源对角线上,另两根分别接到电桥相邻的两个臂。这样，引线电阻值及其变化对仪表读数的影响可以互相抵消。,3.1 电阻式传感器,四线制测温,运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。 恒流源供电。,3.1 电阻式传感器,薄膜型及普通型铂热电阻,3.1 电阻式传感器,小型铂热电阻,3.1 电阻式传感器,防爆型铂热电阻,3.1 电阻式传感器,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,3.1 电阻式传感器,附录 铂热电阻分度表,3.1 电阻式传感器,铂电阻温度显示、变送器,3.1 电阻式传感器,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械设定开关,拨码式设定开关,3.1
16、电阻式传感器,二、半导体热敏电阻器 1. 分类及特性 半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型, 即负电阻温度系数热敏电阻(NTC)、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻(CTR)。它们的特性曲线如图2.14所示。,3.1 电阻式传感器,由图2.14可见,使用CTR组成热控制开关是十分理想的。但在温度测量中,则主要采用NTC,其温度特性如下式所示：,式中： Rt、R0 ：分别为TK和T0K时的 热敏电阻值； B：热敏电阻的材料常数,其值 主要取决于热敏电阻的材 料。一般情况下, B=20006000K,在高温下 使用时,B值将增大； T：被测温度（K）。,（2.14）,3.1 电阻式传感器,若定义
